《Journal of Low Power Electronics and Applications》：A Dynamic Current Pulsing Technique to Improve the Noise Efficiency Factor of Neural Recording Amplifiers
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植入式动作电位测量设备需要低噪声与低功耗的神经记录放大器。研究人员提出一种动态电流脉冲（dynamic current pulsing）技术，结合一种特殊的两级低通滤波器（LPF），使噪声效率因子（NEF）优于传统设计。该放大器在相同芯片上静态低电流态（LCS
植入式动作电位测量设备需要低噪声与低功耗的神经记录放大器。研究人员提出一种动态电流脉冲（dynamic current pulsing）技术，结合一种特殊的两级低通滤波器（LPF），使噪声效率因子（NEF）优于传统设计。该放大器在相同芯片上静态低电流态（LCS）NEF为1.76、静态高电流态（HCS）NEF为1.67，而采用动态脉冲后，在0.1至9.8 kHz带宽内（含采样与混叠影响）输入参考噪声为5.18 μVrms，平均功耗587.8 nW，NEF降至1.55。该技术通过在采样周期内于LCS与HCS间快速切换，并在HCS末尾采样，逼近HCS低噪声水平同时大幅降低平均功耗，配合两级LPF抑制带外噪声折叠，从而突破式(1)所定义NEF的常规模型极限。
研究背景方面，植入式神经记录前端需在微小动作电位（100 Hz–10 kHz）下兼顾低噪声与低功耗，以规避散热损伤脑组织并支持多通道并行采集。传统结构采用恒定功耗的AC耦合闭环放大器，其NEF受MOSFET电流–热噪声折中限制，既往动态范围折叠、斩波稳定与反相器堆叠等方案改进有限。现有电流脉冲研究多基于慢速重构或调制，未在采样周期内精细优化占空比与调制频率。因此研究人员开展本项研究，旨在以亚采样周期级电流脉冲打破恒定电流下NEF理论下限，相关成果发表于《Journal of Low Power Electronics and Applications》。
关键技术方法上，研究人员在TSMC 180 nm CMOS（VDD=1 V）流片三通道芯片，前端为伪电阻反馈AC耦合全差分两级运放，尾电流由电流镜多叉管切换实现HCS（1.054 μA）与LCS（277 nA）；脉冲频率等于采样频率，LCS占空比可调，HCS末采样；为加速建立，第一级带宽在HCS达450 kHz并利用双CMFB对（MH3/MH4与ML3/ML4）稳定直流工作点。后级抗混叠采用特殊采样保持（sample-and-hold, SH）结构串联高阶LPF（数字四阶或二阶LC），SH在整数倍脉冲频率处通带峰值，仅HCS末尾导通采样电容，规避LCS高噪声积分。测量使用NI DAQ 6221（250 ksps）采集时域输出，导入MATLAB与Cadence做滤波、降采样及NEF核算。
研究结果各节如下。
电路设计：电流脉冲技术一节指出平均电流Iavg=D·ILCS+(1?D)·IHCS（D为LCS占空比），LCS为高噪声态、HCS为低噪声态，HCS末采样使有效噪声逼近HCS；第一级全差分与复用CMFB对保障LCS?HCS跳变时直流点匹配与快速建立，500 μVPP输入THD 2.1%证明信号无失真。建立时间与噪声折叠一节阐明第一级带宽450 kHz（HCS）/150 kHz（LCS）使0.1%建立残差仅需2.44 μs；但带宽过大致Nyquist外噪声折叠，故以≈fs/2的高阶LPF前置+过采样权衡建立与混叠，Gm-C型滤波器可超低功耗实现。
ASIC测量：流片测试HCS/LCS输入噪声谱密度分别为43.9/80.8 nV/√Hz（100 Hz–10 kHz均值），1/f角频≈300 Hz；脉冲50 kHz、LCS占空60%时域输出快速建立且传递函数不变；25 kHz脉冲因采样折叠严重NEF偏高，50 kHz下LCS占空40%–60%配合较宽LPF得最优，锁定50 kHz、占空60%作后续配置。
后处理：采样保持滤波器一节给出SH幅频在n·fs处峰值、带外急剧衰减，串联二阶LC或四阶数字LPF成两级抗混叠，带宽调至10 kHz级。噪声性能一节在250 ksps原始数据经四阶数字LPF（拐60 kHz）+SH后，LCS占空60%得NEF 1.55，输入噪声52.7 nV/√Hz均值、积分5.18 μVrms（0.1–9.8 kHz）；同条件二阶LC+SH得NEF 1.64，证明模拟集成可行。
讨论与结论翻译：当数字四阶滤波降采样至50 ksps、3 dB带宽10 kHz时，纯HCS与纯LCS的NEF分别为1.76与1.67；动态电流脉冲配合优化滤波将NEF提至1.55，维持9.7 kHz带宽与587.8 nW功耗，且噪声统计已含采样与混叠，优于多数未计混叠的同类报道。同等平均功耗下常量尾电流理论噪声（紫线）高于脉冲方案，证实该技术突破式(1)极限。未来可将滤波片上化、提升脉冲频率进一步抑混叠，该脉冲机制亦可迁移至其他低功耗模拟前端。
