上海交大王国兴教授课题组三项高能效集成电路设计成果在JSSC发表

近日，集成电路学院（信息与电子工程学院）王国兴教授领衔的生物电路与系统实验室（BiCASL）三项集成电路设计研究成果发表于IEEE Journal of Solid-State Circuits（JSSC）。成果简介分别如下：

论文一：高能效无线体域网通信收发机芯片

第一作者：何涛（博士研究生）

通讯作者：赵健

微型化穿戴/植入设备的发展，正面临通信层面的双重挑战：其一，设备体积与能量高度受限，对组网通信能效要求严苛；其二，人体信道复杂多变，依赖高功耗的复杂均衡器。收发机芯片设计陷入“能效-误码率”悖论。

本工作提出一种紧凑型自适应均衡技术，通过幅频二维观测与控制，能够动态跟踪人体信道的主导极点的变化，并完成实时均衡。相比于DFE等复杂均衡器，该技术消耗微瓦级功耗完成绝大部分的均衡任务，与无线体域设备间低功耗通信需求高度匹配。基于该技术，本文实现了一款基于PAM4调制、40Mbps数据率、9.5pJ/bit能量效率的CMOS收发机芯片，位于国际同类工作公开报道性能指标前列。为实现下一代超低功耗、高可靠性无线体域网系统提供数据收发组件设计参考。

收发机芯片照片

均衡前后眼图
性能对比表
论文信息：Tao He, Yabin Zheng, Longyang Lin, Yongfu Li, Guoxing Wang, Jian Zhao, "A 9.5-pJ/bit 40-Mbps Quasi-Static Body Channel Transceiver with Compact Adaptive Equalization", IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2025, Early Access.

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11159177

论文二：基于薄膜晶体管的集成化PPG采集芯片

第一作者：张涵博（硕士研究生）

通讯作者：赵健

薄膜晶体管（TFT）可制备于柔性基底上，为无感长期可穿戴健康监测提供了可能。然而，TFT器件迁移率低、工艺偏差大阻碍了柔性集成电路的广泛应用。

本文提出了一种时间域数字密集型的模拟信号链设计方法，通过采用压控振荡器（VCO）架构的模拟前端，克服了TFT器件低迁移率导致的性能限制。采用0-1级联式VCO-ADC结构以改善量化动态范围。最终支撑全集成柔性健康监测指环芯片的实现。该芯片基于天马微电子3微米低温多晶硅TFT工艺制造，演示了包含环境光补偿的PPG与血氧饱和度（SpO2）检测功能。为基于TFT的全集成柔性电子技术在生物信号监测中的应用提供了可行性验证。

TFT芯片照片

性能对比表
论文信息：Hanbo Zhang, Zhouchen Ma, Yuqing Lou, Yang Bo, Hao Wu, Liang Qi, Yongfu Li, Xiaojun Guo, Guoxing Wang and Jian Zhao, "An LTPS-TFT-Based Large-Area PPG Readout Circuits with Improved Linearity and Robustness for Flexible Healthcare Ring", IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2025, Early Access.

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11104841/

论文三：用于频域脑功能成像的高能效光ToF传感接口集成芯片

第一作者：马周辰（博士研究生）

通讯作者：赵健

光学脑功能成像技术具有小体积、低功耗的优势，其探测效果有望逼近功能磁共振的水平。但当前光传感接口电路的能效不足，正成为制约系统通道密度遵循“摩尔定律”持续增长的瓶颈。
本工作提出动态光传感架构，通过占空比调制实现飞行时间（ToF）分辨率与系统功耗的解耦，从而在新设计空间维度上显著提升链路能效。此外，提出一种强度-相位相互辅助稳定的数字转换器（IS-IPDC），有效解决了光强度与光相移在量化过程中的耦合问题，提高了传感绝对精度。基于上述技术实现了全集成光传感接口芯片，达到2.2皮秒的光飞行时间分辨率，功耗12.5毫瓦。与高精度仪器参考系统相比，代表组织代谢活动的吸收系数和约化散射系数的最大测量误差分别为4.2%和4%。综合指标达到公开报道的国际同类工作最优水平。

光传感接口芯片照片

性能对比表

论文信息：Zhouchen Ma, Yuxiang Lin, Cheng Chen, Xiang’ao Qi, Yongfu Li, Kea-Tiong Tang, Fa Wang, Tianhong Zhang, Guoxing Wang and Jian Zhao, "A 2.2-ps Time-of-Flight Resolution Frequency-Domain fNIRS Readout IC With a Dynamic Architecture and Cross-Coupling-Free Intensity and Phase-to-Digital Converter",  IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 60, No. 8, 2025.