脑机 | Imec 可实现小型、低噪声、低功耗的神经接口

在 IEEE VLSI 技术和电路研讨会上，imec 展示了一种可扩展的神经读出微芯片，该芯片具有世界上最小的记录通道之一，可以用于在神经生理学实验中同时采集局部场电位和动作电位。

128 通道制造的读出 IC

该芯片基于交流耦合一阶 delta-delta-sigma (Δ-ΔΣ) 架构，可实现非常接近弱模拟信号源的数字域转换。根据 imec 的说法，这种超小型直接数字化通道有望用于比现有的密度更高的神经记录工具。

低功耗和小面积是开发高通道数神经接口IC面临的主要困难。科学家已经研究了几种新的读出架构来满足这些需求，与此同时仍然要尽力在噪声、电极直流偏移消除和输入范围等其他指标上保持良好的性能。

然而，在所有这些指标之间进行权衡并不容易。在这个过程中，将信号从模拟域转换到靠近信号源的数字域的直接数字化前端显示出巨大的可能性。但是，尽管它们显著减小了面积，但它们仍然会消耗高功率或表现出有限的带宽或电极直流偏移消除。

Imec 现在推出了一种数字密集型神经记录 IC，其噪声、功率和面积性能与当前最先进的 Neuropixels 设计可以相提并论，甚至做得更好，同时增加了动态范围和电极直流偏移容差通过交流耦合的 Δ-ΔΣ 调制器。

“我们的设计成功地将交流耦合和直接数字化相结合，以实现轨到轨直流偏移消除和比其他交流耦合设计更高的输入范围 (43 mVpp)。这对于防止记录通道饱和和容忍可能的运动或刺激伪影至关重要。交流耦合输入级进一步降低了功耗（每个通道的总功耗为 8.34 μW），因为只有交流信号被数字化，”imec 神经接口团队的电路团队负责人Carolina Mora Lopez 介绍道。

这种特定的 Δ-ΔΣ 架构能够在数字域中实现大部分功能，例如抗混叠滤波器。因此，现在可以通过利用高度规模化技术节点（22nm FD-SOI）的优势显著缩小总通道面积（0.005 mm2）并提高信号质量。

“这种可扩展的数字密集型设计确保了小尺寸和低功耗 IC 具有良好的性能，使得它可以同时采集神经信号。这为使用更高电极密度的更小探针开辟了道路，还将推动神经科学研究向前发展，”Carolina Mora Lopez 总结道。

今天我们给大家选取了一则来自imec的专利，后台回复“小信号放大器”可获取原文。

US10044325B2

小信号放大器

本发明公开了一种放大器电路、电压感测装置和放大方法。放大器电路包括：

（1）输入级，包括第一组晶体管，待施加的输入信号被施加到第一组晶体管，第一组晶体管包括半导体本体；

（2）处理级，包括第二组晶体管，用于处理来自输入级的信号并产生输出信号。第一组的晶体管具有比第二组的晶体管更厚的栅极氧化物，因此适合于更高的电压操作。第一和第二组晶体管由放大器电路的相同电压源提供。第一组晶体管的半导体本体连接到参考电位以降低阈值电压。

背景与现有技术

有许多情况需要测量和放大小信号。用于监测生物信号（电位或电流）的传感器就是一个例子。用于生物传感目的的电压传感设备在组织和神经科学实验的诊断分析领域具有重要作用。包括小信号电压传感装置的已知生物传感器包括例如神经探针，或者称为深脑植入物，或柔性电极阵列。

本文公开的实施例可结合用于生物电势测量的一种应用进行描述。例如，此类生物传感器可用于测量大脑的区域的神经活动或心脏区域的心脏活动。通常，生物电势感测装置包括至少一个电极，该电极适于检测存在于靠近电极的生物组织中的电压。适用于记录生物电势的测量电路通常通过相应的连接线连接到至少一个电极。这种测量电路还可以包括处理电路，如滤波器或数字化电路。

放大器电路通常被实现为晶体管电路，使用一种特定的晶体管技术类型。这种技术类型通常包括用于在诸如 1.2V 的核心电压下运行的标准晶体管和用于在诸如 3.3V 的更高电压下运行的具有较厚栅极氧化物的高压晶体管。规模化技术中的标准晶体管具有较大的栅极泄漏电流，会导致高散粒噪声。在需要非常低噪声性能的低频模拟应用中，这种噪声可能会令人望而却步。栅极泄漏还会导致放大器输入级出现其他问题，例如输入阻抗降低，因为过多的电流将流向输入节点。US 2006/0290426 公开了一种电路，该电路具有使用厚栅氧化物晶体管实现的输入级和使用薄栅氧化物晶体管实现的第二级。这种电路的问题是该电路可以处理的输入电压范围减小了。特别是，薄栅氧化物晶体管和厚栅氧化物晶体管的特性之间存在不匹配。

因此，需要一种可以解决栅极泄漏问题的放大器电路，从而可以实现改进的信噪比性能，同时能够在宽电压范围内处理输入信号。

具体实施方式

根据本公开的一个方面，提供了一种放大器电路，包括：输入级，待放大的输入信号被施加到该第一组晶体管，第一组晶体管包括半导体本体；处理级，包括第二组晶体管，用于处理来自输入级的信号并产生输出信号，其中第一组晶体管比第二组晶体管具有更厚的栅极氧化物，因此适用于更高的电压操作，并且第一组晶体管和第二组晶体管由放大器电路的相同电压源供电，第一组晶体管的半导体本体连接到参考电位，从而降低阈值电压。

通过在关键节点中使用厚氧化物晶体管和在非关键节点中使用标准晶体管，解决了栅极泄漏问题。然而，厚氧化物晶体管表现出高阈值电压行为。为了在使用低电源电压的同时实现高阈值电压厚氧化物晶体管和标准晶体管的组合和正确偏置，厚氧化物晶体管的正向偏置用于降低它们的阈值电压，同时确保低结二极管正向电流。

放大器电路可以包括差分放大器，其中输入级包括第一输入晶体管，第一差分输入被提供给第一输入晶体管的栅极，以及第二输入晶体管，提供给第二输入晶体管的栅极。

输入晶体管对放大器的整体噪声贡献最大，因此使用厚栅氧化物晶体管提高了整体噪声性能。它能够提供高输入阻抗，从而在很宽的电压范围内限制来自输入信号的泄漏电流。

本篇文章来源：

https://www.newelectronics.co.uk/content/news/imec-enables-small-low-noise-low-power-neural-interfaces

信息来源：中国信息通信研究院知识产权中心

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