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参会师生现场集体照片
2024年11月18日到21日，集成电路设计领域顶会之一的IEEE亚洲固态电路会议(Asian Solid-State Circuits Conference, ASSCC)在日本广岛市举行。在本届ASSCC上，上海交通大学微纳电子学系生物电路与系统实验室（BiCASL）有5篇高水平论文入选，向国际集成电路设计领域的同行展示了在模数转换器芯片、生理信号检测芯片、无线能量传输芯片等领域的前沿研究成果。
01
[高精度高能效模数转换器芯片]
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高精度高能效模数转换器芯片显微照片
由于其卓越的功耗效率和高精度性能，噪声整形逐次逼近寄存器(NS SAR) 模数转换器(ADC) 在物联网传感器仪表和脑机接口等功耗受限的领域中得到了广泛关注。NS SAR ADC中现有的RA架构（如占空比放大器、浮动逆变器放大器等）在功耗和噪声方面仍存在优化空间。
针对RA功耗与噪声优化的挑战，BiCASL团队提出了一种新型被动差分互补参量放大器(Complementary Parametric Amplifier) 用于替代传统RA架构。该放大器的增益完全无源，利用偏置在不同区域下的电容变化特性实现放大，避免了任何的沟道电流和噪声。同时，针对单个CPA增益较低，缺乏有源驱动的问题，课题组提出了一种基于CPA的级联放大器结构，满足了ADC中内外环路的放大器性能需求。该设计提升了NS SAR ADC在功耗、面积与精度方面的综合性能，为高精度低功耗ADC设计提供了一种全新的技术路径。
该工作以《A 10kHz-BW 24.9μW 90.1dB SNDR Noise-Shaping SAR ADC With Complementary Parametric Amplifiers》为题，发表于今年ASSCC。文章的第一作者是2022级硕士陈一凡，刘彦副教授是该文章的通讯作者。
02
[大带宽连续时间模数转换器]
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连续时间宽带TI-CT-DSM显微照片
由于阻性输入阻抗和自带抗混叠滤波特性，连续时间ΔΣ调制器（CT-DSM）在无线收发机领域得到广泛应用。但受限于自身的过采样特性，在大带宽应用背景下CT-DSM芯片需要工作在超高速采样时钟下，这导致大带宽CT-DSM芯片设计难度大，系统能效受限。
面对宽带CT-DSM存在的过采样率受限问题，BiCASL团队将时钟交织技术（TI）应用到宽带CT-DSM架构中，基于模拟外插预测架构，采用积分器级联前馈式环路滤波器，在噪声传递函数中实现了零点优化。针对系统中多路输入的加法器，提出了混合型输入前端的电流型加法器，并提出电容电阻并联型源极退化Gm输入前端，大幅提高了输入路径带宽。此外，针对外环DAC失配问题，提出了针对三态IDAC的反向编码方式，大幅降低了对外环DAC失配问题的敏感度。
该工作以《A 5.76GS/s 180MHz-BW 74.1dB-DR 2x TI Extrapolated CT DSM with Broadband Hybrid-Inputs Current-Mode Adder in 28nm CMOS》为题，发表于今年ASSCC。文章的第一作者是2021级博士生刘悦凯和2021级硕士生郭萌，祁亮副教授是该文章的通讯作者。
03
[薄膜晶体管柔性PPG检测芯片]
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LTPS-TFT PPG检测芯片显微图
薄膜晶体管（TFT）可以直接在柔性衬底上直接制造，且具有大面积，低成本和封装简单的特点，是全柔性生理信号监测的一种可行技术路线。然而目前基于TFT的电路研究仅限于传感电极，有源矩阵阵列和小模块电路上，仍未有系统性工作提出。而相比于CMOS器件来说，TFT又具有迁移率低，工艺误差大的特点，因此目前研究中的复杂电路的性能均不高，工艺鲁棒性均不强，限制了系统级电路的发展。
面对这些问题，BiCASL团队在TFT工艺下提出了基于VCO架构的模拟前端读出电路设计方法。由于VCO架构的放大器和模数转换器大部分由数字模块组成，具有高工艺容差的特点，且满足工艺缩放，因此有望实现在TFT工艺下实现高性能和高鲁棒的前端读出电路。而对于非线性问题，课题组提出了一种无死区的鉴频鉴相器（PFD）和一种具有前馈和相位反馈环路的双级VCO-ADC。于此同时，课题组面向生理信号中PPG信号监测和应用场景，提出全柔性PPG指环概念，其可在柔性片上全集读出电路和驱动电路，无需使用硬质CMOS芯片即可实现PPG信号的放大和转换，并具有高性能和高鲁棒性。
该工作以《A TFT-Based Flexible PPG Acquisition Circuit in a 3-μm LTPS Process for Packaging-Free Smart Ring Applications》为题，发表于今年ASSCC。该篇文章主要由2022级硕士张涵博和2021级硕士娄玉青（已毕业）共同完成，赵健副教授是该文章的通讯作者。
04
[可重构多模态生理信号采集前端芯片]
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可重构多模态生理信号采集前端芯片显微照片
通过整合多种生理信号（如心电信号、光电容积脉搏波、阻抗等），可以全面反映人体的生理状态，提供更准确和多维度的健康评估。然而，不同生理信号在频率范围、幅值大小和电特性上差异巨大，如何设计统一的采集电路以同时适配多种信号是一个挑战。此外，多模态需求导致的通道设计复杂性和高功耗也是需要解决的问题，尤其是在有限芯片面积内实现高灵活性与高效率的多模态接口电路设计。
面对多模态信号检测的问题，BiCASL团队提出了新型的可重构多模态多通道接口电路（RMMIC），用于处理如心电信号、光电容积脉搏波等多种生物信号。该电路通过灵活切换三种模式（电压感测、电流感测和阻抗感测）实现高灵活性和高效性，以适配不同信号类型的检测。它采用开关电容技术覆盖广泛的信号动态范围，采样斩波调制技术，实现低噪声，采用时分复用的ADC，同时优化了芯片面积和功耗。通过创新的电路架构和优化的功耗设计，解决了多模态生物信号采集可穿戴设备的核心难题。相比现有技术，该方案显著降低了芯片面积和功耗，同时提升了灵活性，为多模态生理信号的高效采集提供了一种具有竞争力的解决方案。
该工作以《RMMIC: A 40 μW Reconfigurable Multi-modal Multi-channel Interface Circuit System for Bio-signals Monitoring》为题，发表于今年ASSCC。文章的第一作者是2020级博士生周婷，李永福教授是该文章的通讯作者。
05
[无线能量与数据传输芯片组]
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无线能量与数据传输芯片显微照片
近年来，植入式医疗设备的快速发展提升了许多人的生活质量。这些设备需要高数据率的无线数据传输系统和高能量效率的无线能量传输系统来维持其正常运作。在无线能量与数据传输（Wireless Power and Data Transmission，WPDT）系统中，确保在不同负载条件下输出电压的稳定性至关重要。传统方法包括接收端本地调节（RX-LR），通过监控RX端的输出电压并调节RX端电路来维持电压稳定。RX-LR简单快速，但在轻载条件下会降低端到端的能量效率并可能导致温度升高。另一种方法是发射端全局调节（TX-GR），通过上行数据传输通路监控RX端的输出电压，并调整TX端的发射功率来调节电压。TX-GR提高了轻载条件下的端到端能量效率，但会占用上行数据传输通路。
为了解决上述问题，课题组提出了一种基于小型人工智能（TinyAI）的发射端本地调节（TX-LR）的方法，直接监测TX端的电压信号来推测出RX端的输出情况，并在TX端调整输入功率。这种方式即不会降低端到端能量效率，也不会占据上行数据传输带宽。此外，为了提升下行数据传输速率，课题组提出了自适应二进制相移键控（Adaptive Binary Phase Shift Keying，A-BPSK）的调制方法，将不变的比特流（例如11和00）的编码周期缩短为1个载波周期，与传统的BPSK相比，A-BPSK的数据速率提升了1.7倍。
该工作以《A 428.4mW 6.78Mbps/3.61Mbps Up/Down Data Rate Wireless Chipset with TinyAI Regulation》为题，发表于今年ASSCC。文章的第一作者是2021级博士生张云芳，赵阳副研究员是该文章的通讯作者。
关于ASSCC
在集成电路设计领域，IEEE固态电路协会(Solid-State Circuits Society) 主办的亚洲固态电路会议(Asian Solid-State Circuits Conference，ASSCC) 是IC设计领域顶级会议之一。该会议用于展示固态和半导体领域最新、最先进的芯片和电路设计，由IEEE固态电路协会全资支持。近年来，亚洲各国已成为集成电路设计、制造和应用成长幅度最大的区域。在此背景下，兼具学术与产业影响力的A-SSCC已成为全球芯片设计领域的重要国际会议。会议于11月18日以一整天的教程会议拉开帷幕，主体程序于11月19日至21日进行，进行了全体大会演讲。主体程序包括投稿演讲、小组讨论、学生设计竞赛展览和FPGA演示环节。