ATC-Tx：面向视频传感节点的21.9 pJ/Sa直接像素-PWM转换器与时域体通信发射机

《IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society》：ATC-Tx: A 21.9 pJ/Sa 110 μW Direct Pixel-to-PWM Converter and Time-Domain Body Communication Transmitter for Video Sensor Nodes

本文针对物联网及体域网应用中视频传感器节点高功耗、大尺寸的瓶颈问题，提出了一种基于时域体通信（TD-BC）的模拟电压-时间转换器（ATC-Tx）。该芯片首次实现了像素级模拟电压至脉冲宽度调制（PWM）信号的直接转换，省去了传统架构中的模数转换器（ADC）与数字信号处理器（DSP），在5 MSps采样率下功耗仅110 μW，能效达21.9 pJ/Sa（7.3 pJ/bit），较现有商用方案提升两个数量级。其创新性地利用人体作为宽带通信介质，为可穿戴设备、医疗植入体等低功耗视觉传感场景提供了高能效、高数据率的解决方案。

　　

在智能眼镜、体戴摄像头、神经植入设备等物联网与体域网应用快速兴起的今天，设备的小型化、低功耗与长效续航成为关键挑战。尤其是视频传感器节点，传统方案需先将模拟图像信号通过模数转换器（ADC）转为数字信号，再经数字信号处理器（DSP）压缩后传输，整个过程功耗高达毫瓦级，严重制约了设备的便携性与持续工作时间。更棘手的是，随着视频分辨率与帧率的提升，ADC的功耗呈指数级增长（P_ADC∝ 2^N），通信功耗也随之线性上升，导致系统整体能效低下。如何在不牺牲性能的前提下，实现微瓦级功耗的高清视频传输，成为学术界与工业界共同关注的焦点。

为解决这一难题，美国普渡大学Shreyas Sen教授团队在《IEEE Open Journal of the Solid-State Circuits Society》上发表了一项创新研究，提出了一种名为ATC-Tx的芯片级解决方案。该研究摒弃了传统的“模拟-数字-通信”范式，开创性地将模拟像素电压直接转换为脉冲宽度调制（PWM）信号，并通过人体进行时域体通信（Time-Domain Body Communication, TD-BC），在保证高数据率传输的同时，将功耗降低至百微瓦级别。

为实现这一目标，研究人员采用了多项关键技术：首先，设计了线性采样电压-时间转换器核心，通过恒定电流对采样电容放电，结合比较器生成与输入电压成正比的脉冲宽度；其次，利用片上环形振荡器（RO）产生高频采样时钟，并通过可编程电流源精确控制放电斜率以适配不同分辨率需求；第三，采用宽带人体通信（HBC）驱动器，利用人体在电准静态（EQS）范围内的平坦信道特性传输PWM信号；第四，通过有限元法（FEM）仿真分析了人体信道在时域信号传输下的幅频与相频响应，确保脉冲波形在≤20 MHz带宽内无失真传输；最后，在65 nm CMOS工艺上实现了全集成芯片，面积仅0.0375 mm2，并通过机器对机器（M2M）与可穿戴对可穿戴（W2W）两种场景验证了系统性能。

研究结果主要体现在以下几个方面：

一、电路架构与噪声性能分析

ATC-Tx芯片核心由采样保持电路、可调环形振荡器、5位数字可控电流源、高增益比较器及HBC驱动器构成。通过建立完整的噪声模型，量化分析了kT/C噪声、时钟抖动、电流源噪声、比较器噪声及缓冲链电源扰动对时域转换精度的影响。仿真表明，在20 MHz时钟下，总均方根抖动约59.8 ps，其中环形振荡器贡献占比达77%，是限制系统信噪比（SNR）的主要因素。通过优化器件尺寸与偏置条件，在5 MSps采样率下可实现3-5比特的有效分辨率。

二、时域体通信信道特性

研究通过HFSS电磁仿真与电路协同仿真，对比了M2M（机器-机器）与W2W（可穿戴-可穿戴）两种通信场景的信道特性。结果表明，在EQS频段（≤20 MHz），人体信道增益平坦、相位线性，非常适合传输PWM信号。W2W场景虽损耗较高（约-60 dB），但带宽更宽；M2M场景损耗较低，但带宽受限。时域眼图测试显示，在20 MHz时钟、1 ns最小脉宽步进下，信道可支持8电平（3比特/符号）通信，误码率（BER）可达10^-10量级。

三、芯片实测性能

在0.75 V电源电压、5 MSps采样率下，芯片功耗为109.5 μW，能效达21.9 pJ/Sa。输入动态范围在5 MSps时为310 mV，在100 kSps时可扩展至470 mV。通过 checkerboard（棋盘格）与house（房屋）测试图像评估重构质量，在5 MSps、3比特分辨率下，峰值信噪比（PSNR）为28.56 dB，结构相似性（SSIM）指数超过0.85，满足监控类应用需求。与现有技术对比，ATC-Tx在功耗（降低100倍以上）、面积（缩小20倍）和能效方面均显著优于基于商用组件或纯数字通信的方案。

四、系统级应用拓展

研究进一步探讨了ATC-Tx在胶囊内窥镜、表皮摄像头、头戴式神经观测设备等领域的应用潜力。提出接收端可采用高增益放大器（60 dB）与吉赫兹级计数器构成时间-数字转换器（TDC），以重构PWM信号。分析指出，相较于SAR ADC，ATC在失配限制与噪声限制两种场景下分别可实现一个数量级与2倍的能效优势，尤其适合对功耗极度敏感的不对称节点-枢纽架构。

本研究通过单片集成ATC与TD-BC，首次实现了无需ADC的像素级模拟-时间直接转换与通信，为下一代超低功耗视觉传感节点奠定了技术基础。其创新点不仅在于电路层面的能效突破，更在于系统级地利用人体物理特性构建高带宽、高安全性通信链路，为可穿戴医疗、植入式设备及智能物联网提供了兼具低功耗、小尺寸与高数据率的解决方案。未来，通过3D堆叠与图像传感器异质集成，有望进一步缩小系统体积，推动微型化、长效化视觉感知技术在更多前沿领域的应用。