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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