一种用于超低电流检测的电压域与时间域混合量化技术

《Microelectronics Journal》：A hybrid voltage-domain and time-domain quantization technique for ultra-low current sensing

　　摘要：本文提出了一种高动态范围电流检测电路，用于生物传感和材料科学领域中的超低电流测量。与传统的开关电容阵列设计相比，该电路通过采用带有固定反馈电容的电容式跨阻放大器，并结合混合电压域与时域量化技术，提升了面积效率与结构简洁性。输入电流通过14位SAR ADC对输出电压斜率进行采样，同时利用基于FPGA的计数器实现时间测量。通过将时域信息纳入斜率估算中，该架构能够提升量化分辨率，超越ADC本身的分辨率限制，从而无需扩大电容阵列规模即可实现宽动态范围工作。此外，一种自适应积分方案还能根据信号幅度调整积分时间，进一步扩大可测量范围，但这会带来转换速度与测量精度之间的权衡。该原型采用180纳米CMOS工艺制造，在3.3伏供电条件下，每个通道的功耗为200微瓦，可实现[d=R2]101106分贝的动态范围（即0.90.5皮安到100纳安）。

引言：在生物医学传感、光检测以及电化学分析等新兴应用中，精确检测皮安级电流的重要性日益凸显。在这些应用场景中，感兴趣的信号往往表现为皮安量级的极弱电流，而这些关键信号通常会叠加在从纳安到微安级别的大幅且变化缓慢的背景电流之上。因此，读出电路必须同时具备低噪声特性以便识别弱信号，同时还需拥有超过120分贝的宽输入动态范围，以避免信号饱和[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。此外，诸如光学传感（如PPG/NIRS）之类的应用还对功耗及抗干扰能力提出了更高要求[6]、[7]、[8]。

现有的电流检测技术可分为三类。第一类是基于跨阻放大器的电流-电压转换技术。电阻式跨阻放大器结构简单，但存在增益-带宽折衷问题，且反馈电阻会引入热噪声[9]、[10]。而电容式跨阻放大器则用反馈电容替代了电阻，从而降低了输入端噪声，非常适合用于超低电流检测。不过，为防止输出饱和，这类放大器需要采用周期性重置机制或直流伺服环路，而这又会引入kT/C噪声、电荷注入现象以及额外的功耗[11]、[12]。

第二类技术基于电流-频率转换原理，即将输入电流转换为振荡频率或脉冲密度等时域参数[13]。这种方法便于与数字系统直接接口，因此很适合用于低功耗或无线传感应用[14]。然而，其性能很大程度上受限于关键组件（如振荡器和比较器）的稳定性，以及会降低线性度和动态范围的噪声源[15]、[16]。

第三类则是电流模式处理技术，包括电流传送器以及电流模式Δ-Σ调制器。电流传送器具有低输入阻抗和高输出阻抗，既能实现高效电流注入，又能抑制后续干扰。但其精度对器件匹配度要求较高，尤其是在电流镜结构中[17]、[18]。电流模式Δ-Σ调制器则可通过过采样和噪声整形实现宽动态范围，非常适合用于弱信号采集。不过，要实现环路稳定性和噪声优化，就需要精心设计，在速度、功耗和面积之间做出恰当权衡[19]、[20]、[21]。

在上述各类技术中，电容式跨阻放大器因其低输入端噪声、明确的积分行为以及紧凑的实现结构而尤为出色。基于这些优势，本文提出了一种混合电压域与时域量化技术，该技术通过积分器输出电压的斜率来估算输入电流，其表达式为I=CdVdt。该架构并非仅依赖电压域量化，而是同时利用电压和时间信息——14位SAR ADC负责采样输出电压，而时域计数器则用于测量相应的积分时间。这种混合策略能够在不增加模拟电路复杂度的情况下提升量化分辨率，从而无需扩大电容阵列规模即可实现宽动态范围工作。

为进一步扩展可测量范围，本文还引入了一种基于可编程阈值电压的自适应积分方案。对于较大的输入电流，积分时间会被缩短以避免信号饱和；而对于较小的电流，则会适当延长积分时间，以便在反馈电容上积累足够电荷。这样一来，系统就能根据信号强度调整转换时间，从而在低电流水平下以牺牲一定的转换速度为代价提升分辨率，这一特性尤其适用于那些信号变化较为缓慢的生物传感应用[22]。

本文的其余部分结构如下：第2节介绍整体系统架构及工作原理；第3节阐述电路实现方式及所提出的混合量化算法；第4节展示测量结果；第5节给出结论。

整体系统框架：所提出的电流检测系统的整体架构如图1(a)所示。该系统将多通道电容式跨阻放大器前端与混合双域量化方案相结合，以实现宽范围的电流测量。如图所示，被测器件产生的输入电流IIN首先由电容式跨阻放大器转换为电压信号，此时电流会在反馈电容CF上形成积分效应。随后，得到的输出电压VOUT会由两个并联的低噪声电容式跨阻放大器进行处理。

低噪声电容式跨阻放大器：要实现精准的皮安级电流检测，就需要具备低输入端噪声且信号失真极小的模拟前端。本文中采用了电容式跨阻放大器，将输入电流转换为电压斜坡信号，如图1所示。输出电压会形成一个斜坡，其斜率由输入电流的极性和大小决定——按照本文定义，当输入电流为正时，电压会从VREF向VSS（地）方向变化。由于电容式跨阻放大器的输入节点被固定在一个虚拟电平上……

测量结果：所设计的电流检测芯片采用标准的180纳米CMOS工艺制造，其芯片微观结构如图8所示，有效面积为3.61平方毫米。测量装置的结构如图9(a)所示。实验中使用了Keysight B2902A精密源/测量单元，再配合100兆欧的高精度电阻，通过在该电阻上施加可控电压VSMU来产生超低参考电流。电流生成原理如图9(b)所示。为抑制……

结论：本文提出了一种用于超低电流检测的高动态范围电流检测电路。通过采用混合电压-时间量化技术，该电路能够在保持紧凑模拟前端结构的同时，提升量化分辨率，超越ADC本身的极限。该系统通过结合电容式跨阻放大器积分器、14位SAR ADC以及计数器，重构积分器输出信号的斜率，从而估算输入电流。可编程阈值电压的功能则使得系统具备自适应调节能力……

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

董嘉豪于2024年在中国武汉的华中农业大学获得光电子信息科学与工程学士学位，目前他正在中国上海的同济大学攻读电子与信息工程硕士学位。他的研究兴趣包括低噪声模拟前端电路以及传感器接口电路。

董嘉豪|程启德|邱磊|曾鹏|姚冰冰
中国上海同济大学电子与信息工程学院，邮编201804