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imec超小信道生醫(yī)感知芯片提高模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換效率

（2025年7月9日更新）

比利時(shí)微電子研究中心（imec）于2022年IEEE國際大型集成電路技術(shù)研討會(huì)（VLSI Symposium），它發(fā)布了一個(gè)具有微縮能力的神經(jīng)信號讀取芯片，專注于世界上最小尺寸的信號記錄信道，可用于神經(jīng)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)捕捉神經(jīng)元的局部場電位和動(dòng)作電位。

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微芯片采用創(chuàng)新的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換架構(gòu)，通過交流耦合三角形積分（AC-coupled 1st order delta-delta-sigma architecture）可將微弱的神經(jīng)模擬信號低失真轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。超小信道可以直接數(shù)字化輸入信號，有望突破現(xiàn)有技術(shù)，創(chuàng)造更高分辨率的生物感知工具。

開發(fā)多信道人機(jī)接口的芯片設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格，低功耗、小尺寸成為關(guān)鍵挑戰(zhàn)。近年來，出現(xiàn)了各種創(chuàng)新的讀取電路設(shè)計(jì)滿足了上述需求，又考慮了噪聲抑制、直流電壓偏移校正、輸入信號范圍等性能。然而，在這些性能指針之間做出選擇并不容易。直接數(shù)字化（direct digitization）前端電路直接在信號源附近轉(zhuǎn)換輸入信號進(jìn)行模擬數(shù)字。研究表明，這可能會(huì)大大降低所需的尺寸，但功耗可能很高，效率有限。

imec此次發(fā)布的神經(jīng)信號讀取芯片具有增強(qiáng)的數(shù)字性能imec開發(fā)的Neuropixels與探針相比，它顯示出更好的耐躁性、功耗和尺寸性能。同時(shí)，利用交流耦合差三角形積分調(diào)變器，增加信號感知的動(dòng)態(tài)范圍（dynamic range）與直流電壓的偏移容差。

imec人機(jī)接口電路（the Circuits for Neural Interfaces Team）研究計(jì)劃主持人Carolina Mora Lopez該開發(fā)的電路設(shè)計(jì)成功地集成了交流耦合和直接數(shù)字技術(shù)（rail-to-rail）直流電壓偏移校正功能，輸入信號的范圍也增加到43mVpp，比其他交流耦合設(shè)計(jì)要好。這些性能非常重要，不僅可以避免通道飽和，還可以允許動(dòng)作或刺激干擾引起的信號失真。這些性能非常重要，它們不僅可以避免通道飽和，還可以允許由動(dòng)作或刺激干擾引起的信號失真。信號輸入端的交流耦合設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步降低功耗，因?yàn)橹挥薪涣餍盘柌艜?huì)數(shù)字化，所以每個(gè)通道的總功率只有8.34μWCitizen代理。

差量三角形積分架構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的大部分功能，如抗迭頻失真濾波功能。因此，使用22nmFD-SOI高度微縮化的技術(shù)，如工藝，可以將通道尺寸大幅縮小到0.005平方厘米（mm二、提高信號質(zhì)量。

Carolina Mora Lopez綜上所述，本次發(fā)布的最新電路設(shè)計(jì)具有微縮和高度數(shù)字化的特點(diǎn)，可以縮小芯片尺寸，降低功耗，同時(shí)顯示神經(jīng)信號的優(yōu)異性能，為開發(fā)更小尺寸的多電極探針鋪平道路，促進(jìn)神經(jīng)科學(xué)。