浙江大学罗宇轩研究员团队JSSC最新发文

团队简介

浙江大学集成电路学院 百人计划研究员罗宇轩

罗宇轩，浙江大学集成电路学院百人计划研究员，长期从事模拟/混合信号集成电路设计和传感器电路与系统的研究与开发工作，主持多项国家项目，发表代表性学术论文包括集成电路领域顶级期刊IEEE JSSC以及顶级会议ISSCC、VLSI，多次在重要国际会议上做学术报告，并获得由新加坡工程协会(The Institution of Engineers, Singapore)颁发的2018年度IES Prestigious Engineering Achievement Awards，任IEEE Senior Member，任《微纳电子与智能制造》期刊青年编委，长期担任IEEE JSSC，IEEE TCAS-I, IEEE TCAS-II, IEEE TVLSI，IEEE TCAD, IEEE SENS J以及MEJ的审稿人,任IEEE ICTA技术委员会成员及IEEE APCCAS会议分会主席。

浙江大学集成电路学院 博士研究生陈烨侃

陈烨侃，浙江大学集成电路学院2021级博士研究生，研究方向包含模拟与混合信号集成电路设计以及传感器接口电路设计。

近日，集成电路学院罗宇轩研究员团队在国际顶级期刊《IEEE固态电路杂志》（IEEE Journal of Solid-State Circuits，简称JSSC）上发表题为“A Fully-Dynamic Event-Driven Capacitive Sensor Interface Circuits based on Self-Reconfigurable SAR Capacitance-to-Digital Conversion for High-Density Robotic Tactile Sensing”的论文。该论文第一作者为博士生陈烨侃，通讯作者为罗宇轩研究员。

课题背景

随着机器人逐渐融入人类社会的方方面面，对于机器人表面类似于人体皮肤的、用于感知信息的电子皮肤系统的需求逐渐增大，专用的容性电子皮肤接口电路芯片（Capacitive sensor interface circuits, CSICs）开始被深入研发，以应对并克服电子皮肤项目的数据吞吐量高、功耗控制严格、精度要求高的特点。过去十余年，使用多通道复用技术的接口电路结构成为这一领域的主流结构，这一结构通过复用接口电路模块实现功耗的降低和数据吞吐量的提升：时分复用（Time-Division Multiplexing, TDM）技术能够以低电路设计开销实现多通道信息读出，然而随着通道数的提升，采用这一结构的系统将面临高额的延迟；基于这一问题，频分复用（Frequency-Division Multiplexing, FDM）被提出，其克服了时分复用策略的延迟问题，大大提升了接口电路的复用效率，然而引入的较高的调制频率的产生模块将带来不可忽视的功耗开销和电路复杂度的提升。另一方面，这些复用策略的结构并未针对电路精度进行优化设计，导致分配到每个通道的动态范围有限，这一点大大限制了接口电路的复用效率。噪声成形模数转换器是近年来比较热门的高精度模数转换器结构，其特点在于通过过采样以及量化噪声成形技术，提升有效带宽内的信噪比，但是这一方案目前并未很好的与多通道策略相融合。

课题亮点

为了解决上述问题，课题组受神经信号处理过程的启发，在我们的研究中提出了一种以事件驱动的方式读出稀疏触觉信号的多通道电容接口电路。为了降低无源采样模式（低功耗检测）下的功耗和实现噪声成形模式（高精度转换）下的高分辨率，提出了一种自重构逐次逼近型电容-数字转换器。为了有效提升复用效率，实现噪声成形架构与多通道策略的融合，我们研究并提出了一种2N-OSR码分复用技术。此外，我们还提出了一种事件驱动的I2C（ED-I2C）协议，以减少通信数据负担和布线复杂度。

这一项目的设计亮点集中在以下三点：

01.设计了一款全动态自重构逐次逼近型电容-数字转换器，实现无源采样模式（用于低功耗检测事件）和噪声成形模式（用于高精度转换信号）之间的切换，达到1.5pJ/C-S的能效，在高精度转换模式下可达到51dB的单通道动态，在低功耗检测模式下可达到1.6uW的单通道功耗。

02.实现噪声成形架构与码分复用（Code-Division Multiplexing, CDM）策略的融合，有效提升精度与接口电路复用效率。

03.针对触觉信号的稀疏性，设计多通道事件检测模块以及基于事件驱动的I2C接口电路，有效降低至少16.45%的数据量。

图1 技术原理图以及流片测试结果

课题成果

基于上述创新设计，课题组在55纳米CMOS工艺节点上流片了一款多通道电容式传感器接口电路，芯片面积为224.4mm2，在3.47kHz的帧率下，可以在噪声成形模式时实现51dB的单通道信噪比和7.2uW的单通道功耗，在无源采样模式时单通道待机功耗可以进一步降低至1.6uW。该性能在电容传感器接口电路设计领域达到了国际领先的水平。

图2 电容传感器接口电路显微照片