比利時(shí)微電子研究中心（imec）于2022年IEEE國(guó)際超大規(guī)模集成電路技術(shù)研討會(huì)（VLSI Symposium），發(fā)表了一顆具備微縮能力的神經(jīng)訊號(hào)讀取芯片，主打世界最小尺寸的訊號(hào)紀(jì)錄信道，可用于神經(jīng)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)，同步擷取神經(jīng)元的局部場(chǎng)電位與動(dòng)作電位。

該微芯片采用創(chuàng)新的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換架構(gòu)，透過(guò)交流耦合一階差量三角積分（AC-coupled 1st order delta-delta-sigma architecture）的調(diào)變?cè)O(shè)計(jì)，可以將微弱的神經(jīng)模擬訊號(hào)低失真轉(zhuǎn)換至數(shù)字訊號(hào)。超小型信道能直接將輸入訊號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，可望突破現(xiàn)有技術(shù)，打造出更高分辨率的生物感測(cè)工具。

用來(lái)開(kāi)發(fā)多信道人機(jī)接口的芯片設(shè)計(jì)要求嚴(yán)苛，低功耗和小尺寸成為關(guān)鍵挑戰(zhàn)。近期出現(xiàn)了多種創(chuàng)新的讀取電路設(shè)計(jì)，滿足上述需求的同時(shí)，也要顧及像是噪聲抑制、直流電壓偏移校正、輸入訊號(hào)范圍等性能考慮。然而，要在這些性能指針之間做出取舍并不容易。直接數(shù)字化（direct digitization）的前端電路在靠近訊號(hào)源的那端直接將輸入訊號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，據(jù)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，在帶寬或直流電壓偏移校正方面，效能也有限。

imec此次發(fā)表的神經(jīng)訊號(hào)讀取芯片具備增強(qiáng)型數(shù)字化性能，與imec開(kāi)發(fā)的Neuropixels探針相比，展現(xiàn)了更佳的抗躁、功耗與尺寸表現(xiàn)，同時(shí)利用交流耦合的差量三角積分調(diào)變器，增加訊號(hào)感測(cè)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表示，此次開(kāi)發(fā)的電路設(shè)計(jì)成功整合了交流耦合與直接數(shù)字化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)接近系統(tǒng)電壓極限（rail-to-rail）的直流電壓偏移校正功能，輸入訊號(hào)范圍也增加至43mVpp，勝過(guò)其他的交流耦合設(shè)計(jì)。這些性能至關(guān)重要，不僅能避免通道達(dá)到飽和，還能容許受到動(dòng)作或刺激干擾而產(chǎn)生的訊號(hào)失真現(xiàn)象。在訊號(hào)輸入端采用交流耦合設(shè)計(jì)還能進(jìn)一步降低功耗，因?yàn)橹挥薪涣饔嵦?hào)會(huì)進(jìn)行數(shù)字化，因此每通道的總功率僅有8.34μW。

差量三角積分架構(gòu)還能實(shí)現(xiàn)數(shù)字訊號(hào)具備的多數(shù)功能，例如抗迭頻失真的濾波功能。因此，利用22nmFD-SOI制程這類高度微縮化的技術(shù)，就可能把通道尺寸大幅微縮至0.005平方厘米（mm2），并提升訊號(hào)質(zhì)量。

Carolina Mora Lopez總結(jié)，此次發(fā)表的最新電路設(shè)計(jì)具備微縮化與高度數(shù)字化的特色，能夠縮小芯片尺寸并減少功耗，也展現(xiàn)了同步擷取神經(jīng)訊號(hào)的優(yōu)異性能，為開(kāi)發(fā)更小尺寸的多電極探針?shù)伷降缆?，推進(jìn)神經(jīng)科學(xué)研究發(fā)展。