02 / TIA LITERATURE
A Wireless Battery-Free Cerebral-Oxygen-Monitoring Micro-System Featuring 0.028% Sensing Resolution
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作者: Weixiao Wang, Boyu Zhu, Yangfan Xuan, Yili Shen, Qijing Xiao, Zhiyu Wang, Yuxuan Luo, Gang Pan, Bin Su, Bo Zhao
单位: 浙江大学
DOI: 10.1109/A-SSCC60305.2024.10848595
核心参考量
| 维度 | 数值/信息 |
|---|---|
| 工艺节点 | 55nm CMOS |
| 芯片面积 | 0.93mm × 0.61mm（含 I/O 框架） |
| 总功耗 | 25 μW（业界最低） |
| 供电方式 | 无电池，434MHz RF 能量收集 |
| 无线遥距 | 2m 范围远场 Backscatter |
| PO₂ 检测分辨率 | 0.028%（所有工作中最佳） |
| 检测范围 | 0% – 56.1% PO₂ |
| 最大检测电流 | 1 μA |
| 电流检测线性度 | R² = 0.9993 |
| 电流检测标准差 | < 129 pA (1σ) |
| 动态范围 | 77.8 dB |
功耗分解 (Total: 25μW)
| 模块 | 功耗 | 占比 |
|---|---|---|
| 40M 载波发生器 | 6.10 μW | 24.4% |
| OTA (Potentiostat 内) | 7.38 μW | 29.5% |
| LDOs | 4.30 μW | 17.2% |
| Bandgap | 2.58 μW | 10.3% |
| 10K CLK Generator | 2.55 μW | 10.2% |
| Buffer | 1.05 μW | 4.2% |
| Sensing Current Detector | 1.05 μW | 4.2% |
架构创新点
1. Sensing-Current-Reuse 技术
- 传感电流 I_SENS 被复用来为后续数据转换器供电
- 省去传统方案中的 TIA 和电流镜
- 将系统功耗降至 25μW，实现无电池工作
2. Bipolar Residual Zoom-in (BRZ) 技术
- SAR 粗量化后对残余电流 I_RES 进一步量化
- BRZ IDAC 双极性判断覆盖更宽残余电流范围
- 量化公式: I_RES = I_BRZ · N_Φ1,Φ2 / N_TOTAL
3. TIA-less、Current-mirror-less Potentiostat
- 仅需单个 OTA
- WE 间歇切换至超低功耗 buffer 校准电位电压
- 省去传统方案中的多个 OTA 和电流镜
与 SOTA 对比 (Fig.6)
| 指标 | This Work | ISSCC'20 [1] | JSSC'14 [2] | CICC'20 [3] | TBioCAS'15 [4] | Sensors'18 [5] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 供电 | Battery-free | Battery-free | Battery | Battery | Battery | Battery |
| 遥测方式 | Backscatter | Backscatter | Cable | Cable | Active RF | Cable |
| 传感方法 | Electrochemical (CFE) | Optical (Film) | Electrochemical (On-Chip) | Optical (Film) | Electrochemical (Parylene-C) | Electrochemical (On-Chip) |
| 功耗 | 25 μW | 140 μW | 42 μW | 20.6 mW | >54 mW | 1.4 mW |
| 检测范围 | 0%–56.1% | 0.5%–19.8% | 1.3%–7.2% | 0%–21% | 0%–30% | 0%–21% |
| 分辨率 | 0.028% | 0.09%@0.5% | ±0.13% | N/A | N/A | 0.06% |
论文原图
