imec超小型通道生醫感測晶片 提升類比數位轉換效能

比利時微電子研究中心（imec）於2022年IEEE國際超大型積體電路技術研討會（VLSI Symposium），發表了一顆具備微縮能力的神經訊號讀取晶片，主打世界最小尺寸的訊號紀錄通道，可用於神經醫學實驗，同步擷取神經元的局部場電位與動作電位。

該微晶片採用創新的類比數位轉換架構，透過交流耦合一階差量三角積分（AC-coupled 1st order delta-delta-sigma architecture）的調變設計，可以將微弱的神經類比訊號低失真轉換至數位訊號。超小型通道能直接將輸入訊號進行數位化，可望突破現有技術，打造出更高解析度的生物感測工具。

用來開發多通道人機介面的晶片設計要求嚴苛，低功耗和小尺寸成為關鍵挑戰。近期出現了多種創新的讀取電路設計，滿足上述需求的同時，也要顧及像是雜訊抑制、直流電壓偏移校正、輸入訊號範圍等性能考量。然而，要在這些性能指標之間做出取捨並不容易。直接數位化（direct digitization）的前端電路在靠近訊號源的那端直接將輸入訊號進行類比數位轉換，據研究顯示，這很可能可以大幅減少所需尺寸，但功耗可能居高不下，在頻寬或直流電壓偏移校正方面，效能也有限。

imec此次發表的神經訊號讀取晶片具備增強型數位化性能，與imec開發的Neuropixels探針相比，展現了更佳的抗躁、功耗與尺寸表現，同時利用交流耦合的差量三角積分調變器，增加訊號感測的動態範圍（dynamic range）與直流電壓的偏移容差。

imec人機介面電路（the Circuits for Neural Interfaces Team）研究計畫主持人Carolina Mora Lopez表示，此次開發的電路設計成功整合了交流耦合與直接數位化技術，實現接近系統電壓極限（rail-to-rail）的直流電壓偏移校正功能，輸入訊號範圍也增加至43mVpp，勝過其他的交流耦合設計。這些性能至關重要，不僅能避免通道達到飽和，還能容許受到動作或刺激干擾而產生的訊號失真現象。在訊號輸入端採用交流耦合設計還能進一步降低功耗，因為只有交流訊號會進行數位化，因此每通道的總功率僅有8.34μW。

差量三角積分架構還能實現數位訊號具備的多數功能，例如抗疊頻失真的濾波功能。因此，利用22奈米FD-SOI製程這類高度微縮化的技術，就可能把通道尺寸大幅微縮至0.005平方公釐（mm2），並提升訊號品質。

Carolina Mora Lopez總結，此次發表的最新電路設計具備微縮化與高度數位化的特色，能夠縮小晶片尺寸並減少功耗，也展現了同步擷取神經訊號的優異性能，為開發更小尺寸的多電極探針鋪平道路，推進神經科學研究發展。

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