A 2pA/√Hz Current-Conveyor-Assisted Ultrasound Receiver with 25pF CMUT Parasitic Capacitance

作者: Gichan Yun, Kyeongwon Jeong, Haidam Choi, Seunghyeon Nam, Chaerin Oh, Hyunjoo Jenny Lee, Sohmyung Ha, Minkyu Je

单位: KAIST (韩国科学技术院) / NYU Abu Dhabi

DOI: 10.1109/A-SSCC58667.2023.10347934

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核心参考量

维度	数值/信息
工艺节点	180nm HV BCDMOS
RX 芯片面积	0.8452 mm²（含 HV MUX 和 ADC）
RX 功耗	3.62 mW/通道
CMUT 寄生电容	25 pF（大寄生，1-D 阵列）
中心频率	7.5 MHz
LNA 带宽	18 MHz
LNA 增益	88 – 106 dBΩ（TGC 可调）
输入参考噪声密度	2.0 pA/√Hz @7.5MHz
带内 IRN	2.3 pA/√Hz (1–18MHz)
NEF' (归一化噪声效率因子)	0.088 pA/pF·√(mW/Hz)（最佳）
ADC	10-bit SAR, 30MS/s, SNR 57.6dB
TX	片内 Class-D 高压脉冲器，30V 输出，67ns 脉宽

系统架构

• 64 通道 1-D CMUT 阵列，每组含 8 通道 TX + 1 AFE + ADC
• 8-to-1 高压 MUX
• 采用 180nm BCD 工艺以支持高压 MOS（脉冲器 + T/R 开关）

架构创新点

1. Current Conveyor (CC) 前置隔离

• CC 置于 RF TIA 之前，隔离 25pF 大寄生电容
• 等效 CP 降至 ~70 fF，大幅放松 TIA 设计要求
• 电流镜比设定为 6dB 增益
• CC + 反馈放大器实现 gm-boosting

2. 反馈放大器 gm-boosting

• 用更小偏置电流实现所需跨导（>1mS）
• 电流噪声与偏置电流成比例 → 低功耗 + 低噪声
• BW 比无反馈方案扩大约 40 倍
• 噪声在 CMUT 中心频率处抑制约 10 倍

3. CCIA 结构 PGA 和 ADC Buffer

• 交流耦合，低噪声
• 实现 TGC（时间增益补偿）
• AFE 总增益 82 – 118 dBΩ

与 SOTA 对比 (Fig.6)

指标	This Work	JSSC'16 [3]	TBCAS'17 [7]	ISSCC'20 [1]	TBCAS'21 [5]
工艺	180nm HV BCDMOS	180nm HV CMOS	65nm CMOS	180nm HV BCDMOS	40nm CMOS
换能器	CMUT	CMUT	CMUT	CMUT	CMUT
CMUT 电容 (pF)	25	2	5.5	15	25
中心频率 (MHz)	7.5	5	5	5	Wideband
LNA 架构	CC + RF TIA	RF TIA	RF TIA	CF TIA	RF TIA
LNA BW (MHz)	18	11	7.5	7	18
IRN @FC (pA/√Hz)	2.0 @7.5MHz	0.41 @5MHz	4.8 @2.5-7.5MHz	2.0 @5MHz	3.1* @3-18MHz
LNA 增益 (dBΩ)	88–106	104–116	79–97	70–106	78–90
LNA 功耗 (mW)	1.21	1.4	0.18	4.9	1.45
NEF'	0.088	0.24	0.37	0.30	0.15
ADC/HV TX 在片	O/O	X/O	O/X	X/O	O/X

NEF' = i_n,in · √(Power_LNA / C_CMUT)

核心优势

通过 CC 前置结构，在 25pF 大寄生电容 下实现 最低 NEF' (0.088)，同时集成了 HV TX 和 ADC，适用于小型化超声探头。

论文原图

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