近日南方科技大学深港微电子学院呼唤助理教授课题组在低功耗传感器读取电路设计领域取得重要进展，相关论文“A 0.38-pJ/step Pulse-Width Locked Time-Domain Wheatstone Bridge Sensor Readout IC for LIG-Based Wearable Strain Sensing System [1]”发表于IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC)，JSSC为芯片设计领域公认排名第一的顶级期刊。
电阻型传感器在多个传感领域如温度、压力、气体、应力等都有重要应用价值。传统的电阻型传感器读取电路通常采用惠斯通电桥的结构，而传统的惠斯通电桥是基于电压域进行设计，功耗较大且读取范围较窄。近年来时间域的读取电路受到了更大的关注因为其能简化放大器设计并实现更高的能量效率，而传统的时间域读取电路通常使用压控振荡器（VCO）来将电压信号转化成时间信号，而VCO在整个系统里贡献了很大的功耗和噪声。基于上述背景，该项工作提出了一款基于压控延时线（VCDL）的锁脉冲宽度环路（PWLL）时间域惠斯通电桥传感器读取电路，应用于柔性可穿戴应力传感器读取系统如图1所示。
图1. 可穿戴应力传感器读取系统的背景信息与设计目标
所提出的读取电路结构示意图如图2所示，本文采用创新性使用了VCO积分器作为环路的误差放大器，提供了DC点的无穷增益减小误差，同时使整个系统高度数字化（digital-intensive），可使用低电压供电。本文使用VCDL代替传统的VCO架构组建PWLL传感读取系统，其在功耗和时钟抖动（Jitter）上相对于VCO有着明显的优势（图3）。
图2. 提出的传感器读取电路结构示意图
图3. VCDL与VCO在功耗与噪声性能的对比
本文还提出了一款如图4所示的10bit流水线型（pipeline）时间-数字转换器（TDC），相比于传统的pipeline TDC使用了时间放大器，该TDC使用误差比例（Delay ratio）代替时间放大器，简化了设计难度并减小了芯片面积。
图4. 提出的基于延时比例的10bit流水线型时间-数字转换器
图5展示了芯片照片与测试环境，图6展示了电阻信号读取精确度测试。该工作还提出了一款新型可穿戴应力传感读取系统，基于叶怀宇副教授课题组杨荟茹博士制备的激光诱导石墨烯（laser-induced graphene，LIG）高性能应力传感器，与所设计的超低功耗传感器读取芯片相结合形成完整的系统，图6展示了该系统完美捕捉识别人体关节活动信号，在人体健康与运动监测、电子皮肤等领域都有着潜在应用价值。最终的测试结果显示该系统仅消耗4.8微瓦功耗，实现了0.38-pJ/step的能量效率，达到了国际同类型芯片的领先水准。
该论文的第一单位为南方科技大学深港微电子学院，通讯作者为呼唤助理教授，第一作者为南科大2023届本科毕业生徐思远。该论文得到了国家自然科学基金等项目资助。
图5. 芯片照片与测试环境
图6. 电阻信号读取精确度与线性度测试
图7. 激光诱导石墨烯可穿戴应力传感系统测试图
