近日，集成电路学院（信息与电子工程学院）陈铭易副教授课题组在精密传感接口芯片领域取得重要进展，提出了适用于脑机接口、水声信号检测等各类精密传感接口的片上伪电阻精密自动校准技术，成功解决了一项关键技术难题，为可精确调谐的片上超高阻值电阻的规模化量产奠定了基础，相关成果以“A 25.8% 3σ/µ-Accuracy, 0.12%/℃ Temperature Drift Sigma-Delta Modulation Calibrated Pseudo-Resistor with GΩ to TΩ Tuning Range”（一种具有25.8% 3σ/µ精度、0.12%/℃温漂、GΩ至TΩ量级调节范围的ΣΔ调制校准型伪电阻）为题发表于《IEEE Journal of Solid-State Circuits（JSSC）》上。
研究背景
在以脑机接口为代表的各类精密传感接口电路中，超高阻值电阻（>100GΩ）是完成精密信号调理的重要部件之一。当前实现超高阻值片上电阻的主流技术路线有伪电阻、占空比电阻、开关电容电阻等三种方式，然而面临精度低、温漂高、工艺鲁棒性和线性度差等一系列技术挑战。因此，如何实现高性能、低成本、可量产的超高阻值片上电阻，是困扰业界多年的共性关键技术难题之一。
研究内容
该研究创新提出一种基于Σ∆调制环路的主从校准架构，利用闭环反馈对片上伪电阻进行精密自动校准。校准后的伪电阻具有“自举”栅源电压，其阻值受时钟频率精确调控，并达到开关电容参考电阻值的40倍，从而成功实现了相对精度高、温漂低、线性度好、调谐范围宽的低成本超高阻值片上电阻，进而基于该校准伪电阻，实现了可精确调谐高通频率的高线性度低噪声电容耦合仪表放大器，广泛适用于脑机接口、水声信号检测等精密传感接口领域。
研究成果
芯片采用180nm 标准CMOS工艺流片，片上伪电阻自动校准电路功耗和面积分别仅为1.1μW 和0.028mm2。测试结果表明，校准伪电阻的阻值可在1.5GΩ至2.5TΩ范围内精确调谐。在-40℃至80℃温区内，平均温漂为0.12%/℃，相比未校准伪电阻减小二个数量级，与片上多晶硅电阻相当。室温下阻值相对精度（3σ/μ）为25.8%，相比未校准伪电阻提升超一个数量级。电容耦合仪表放大器可实现精确调谐的0.13~217Hz高通截止频率，总谐波失真仅为0.0093%，线性输出摆幅高达3.93VPP，0.5~200Hz带宽内输入参考噪声为2.4μVrms。研究成果广泛适用于脑机接口、水声信号检测等各类精密传感接口领域，成功解决了领域内一大共性关键技术难题，为可精确调谐的片上超高阻值电阻的规模化量产奠定了基础。
