智能傳感芯片在工業(yè)控制、醫(yī)療診斷、數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。高精度測量不僅體現(xiàn)在其能夠準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換模擬信號，還在于其具備良好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。另一方面，在這些應(yīng)用中，具有低紋波特性的電源芯片提供精確、穩(wěn)定的電力，確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，在保持信號完整性和減少干擾方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的徐佳偉、洪志良教授與納芯微電子、芯?？萍肌⒕жS明源等國內(nèi)知名企業(yè)開展產(chǎn)學(xué)研合作，分別開發(fā)了應(yīng)用于TMR磁傳感器、心率血氧采集、生物阻抗測量的高精度模擬前端芯片，以及用于電池供電設(shè)備中的低紋波電源管理芯片。四項(xiàng)合作成果近期發(fā)表于國際固態(tài)電路權(quán)威期刊 IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC)，論文第一作者分別為瞿天翔（博士后）、姚暢（碩士）、潘欽競（博士）、曹鵬（博士后）。
1. 用于非接觸式電流傳感寬帶TMR磁傳感芯片（復(fù)旦-納芯微電子）
隧道磁電阻 (TMR)傳感器具有高靈敏度、低功耗和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，這使得它汽車傳感、智能電網(wǎng)和新能源等領(lǐng)域的磁場和電流測量有廣泛的應(yīng)用。本項(xiàng)工作提出了一種用于非接觸式電流傳感的 TMR磁傳感讀出芯片。采用帶乒乓自動(dòng)調(diào)零的電流平衡儀表放大器，在 2MHz 的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了206 nTrms 的積分磁噪聲。通過 數(shù)字輔助偏移校準(zhǔn)方案，TMR 傳感器的最大偏移降低至 311 nT。在補(bǔ)償 TMR 偏置電路的溫度系數(shù)后，其靈敏度漂移降低了 18 倍。所提出的 TMR 傳感器讀出器（包括傳感器偏置電路）在性能系數(shù) (FoM) 方面實(shí)現(xiàn)了2.5 fW/Hz 的出色能效。
Tianxiang Qu, Tian Dong, Wenhui Qin, Yaohua Pan, Yun Sheng, Zhiliang Hong, Xiaoyang Zeng, Jiawei Xu., “A 2 MHz Bandwidth TMR-Based Contactless Current Sensor With Ping-Pong Auto-Zeroing and SAR-Assisted Offset Calibration” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Oct 2024.
2. 抗環(huán)境光和偽影干擾的光電傳感前端芯片（復(fù)旦-納芯微電子）
非侵入式光學(xué)傳感技術(shù)，例如光電容積描記法 (PPG) 和功能性近紅外光譜 (fNIRS)，可為用戶提供極大的舒適度，并可獲取脈搏血氧飽和度、血流速度和血管硬度方面的豐富血流動(dòng)力學(xué)信息。傳統(tǒng)的光學(xué)傳感器朝著更高的動(dòng)態(tài)范圍和更高能效發(fā)展。除了靜態(tài)基線輸入信號，由于運(yùn)動(dòng)偽影或環(huán)境光變化引起的快速光變化干擾也會(huì)導(dǎo)致信號飽和。本項(xiàng)工作提出了一種高動(dòng)態(tài)范圍、高能效的光-數(shù)字直接轉(zhuǎn)換器 (LDC)。采用電流域靜態(tài)縮放 (SZ) 來補(bǔ)償基線輸入電流，采用動(dòng)態(tài)縮放 (DZ) 跟蹤并補(bǔ)償殘余交流輸入電流，并且利用動(dòng)態(tài)切片式放大器降低功耗。LDC 采用標(biāo)準(zhǔn) 0.18 μm CMOS 工藝制造，在 2kHz 帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)140 dB 的動(dòng)態(tài)范圍。交流信號的信噪比和失真比 (SNDR) 達(dá)到 94.5 dB，在 1.2V電源下僅需消耗44 μW。結(jié)合SZ 和 DZ 技術(shù)的本項(xiàng)設(shè)計(jì)成功地在人體胸部實(shí)現(xiàn)了PPG 和SpO2的準(zhǔn)確測量。
Chang Yao, Zhen Lu, Liheng Liu, Yaohua Pan, Wenhui Qin, Shaoyu Ma, Yun Sheng, Zhiliang Hong, Jiawei Xu., “A 140 dB-DR Light-to-Digital Converter Using Current-Domain Hybrid Zoom for Baseline Cancellation and Interference Compensation”, IEEE Journal of Solid-State Circuits (CICC 2024 Special Issue), Dec 2024.
3. 采用正弦激勵(lì)的低失真生物阻抗測量芯片（復(fù)旦-芯海科技）
生物阻抗 (BioZ) 模擬前端可用于檢測組織電特性的變化，作為心力衰竭、癌癥和慢性肺部疾病的預(yù)后指標(biāo)。為了提高阻抗測量精度，本項(xiàng)工作在三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)的改進(jìn)：1) 帶有分段式 delta-sigma 調(diào)制器的查找表 ，用于對 IDAC 進(jìn)行面積高效的位擴(kuò)展，以產(chǎn)生低失真正弦電流；2) 電流放大器和直通儀表放大器分別用于減輕電流發(fā)生器和讀出中的 1/f 噪聲調(diào)制；3) 帶有三電平動(dòng)態(tài)元件匹配 IDAC，用于在保持高線性度性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)參考電流噪聲消除。采用 0.18 μm CMOS 工藝制造的 AFE，其中激勵(lì)電流和讀出電路功耗分別為 86.7–201.1 和 54.8 μW。激勵(lì)電流為100 μApk 時(shí)實(shí)現(xiàn)高達(dá) ?84 dB 總諧波失真 (THD) ， 97.3 dB 系統(tǒng)信噪比 (SNR)（4 Hz帶寬）和 0.64 m /√ Hz 靈敏度。并成功采用干電極實(shí)現(xiàn)人體阻抗心動(dòng)圖 (ICG)的測量。
Qinjing Pan, Qi Luo, Tianxiang Qu, Liheng Liu, Xiao Li, Min Chen, Zhiliang Hong, Jiawei Xu., “A 97.3dB SNR Bioimpedance AFE with -84dB THD Segmented-ΔΣM Sinusoidal Current Generator and Passing-Through Instrumentation Amplifier”, IEEE Journal of Solid-State Circuits (VLSI 2024 Special Issue), Dec 2024.
4. 低紋波的耦合電感混合升壓轉(zhuǎn)換器（復(fù)旦-晶豐明源）
本項(xiàng)工作提出了一種耦合電感混合升壓轉(zhuǎn)換器 (CIHSUC)，專為電池供電設(shè)備中的低紋波電源應(yīng)用而設(shè)計(jì)。CIHSUC 結(jié)合了升壓轉(zhuǎn)換器和 KY 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種新穎的混合轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出端與耦合電感串聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換比 (CR) 和與負(fù)載無關(guān)的超低輸出電壓紋波。通過使用耦合電感代替兩個(gè)分立電感，CIHSUC 進(jìn)一步降低了電感電流紋波、輸出電壓紋波和系統(tǒng)尺寸。此外，還提出了 V2IC 自適應(yīng)關(guān)斷時(shí)間 (AOT) 控制方法來增強(qiáng)瞬態(tài)響應(yīng)和環(huán)路穩(wěn)定性。該轉(zhuǎn)換器采用 0.18 μm BCD 工藝制造，在 5 V輸入、12 V輸出 和300 mA負(fù)載電流時(shí)實(shí)現(xiàn) 94.4% 的峰值效率。此外，在 2-5 V 的輸入范圍和 5-15 V 的輸出范圍內(nèi)，測得的輸出電壓紋波低于 20 mV，與傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器的理論最佳值相比，降低了 6.6 倍。
Peng Cao, Danzhu Lv, Jiawei Xu, Zhiliang Hong., "A 94.4% Peak Efficiency Coupled-Inductor Hybrid Step-Up Converter With Load-Independent Output Voltage Ripple," IEEE Journal of Solid-State Circuits, Dec 2024.
