1 工作简介

         ——低延迟高精度电容传感器读出芯片设计

在精密测量领域，电容式传感器凭借其高灵敏度、易于集成和非接触式工作等固有优势，已成为距离、压力、湿度等多种物理量感知的核心技术之一。随着感知系统从静态检测向动态交互演进，无人机控制、具身智能等新兴领域对传感系统的实时性与精确性提出了前所未有的要求。在这些场景中，环境状态的瞬时变化需被即时捕捉并反馈，传感链路中任何环节的延迟、误差都可能直接导致系统失稳与决策失误。因此，兼具低延迟、高精度的电容传感器读出电路，已成为连接物理世界与高速数字决策的关键，传统实现方案难以在高测量速度下兼顾高精度，在测量时间低于50 μs、信噪比高于90 dB的性能范围内仍为研究空白。

北京大学唐希源研究员团队针对该问题展开了研究，设计了一款增量型缩放式电容-数字转换器芯片。该设计集成了三项关键技术创新：首先，引入基于斩波的采样噪声消除技术，在几乎不增加硬件开销的前提下有效抑制了采样过程中的噪声，显著提升了系统精度；其次，采用基于压控振荡器的ΔΣ细量化环路，并提出一种与之相匹配的新型相位域前馈补偿方法，克服了传统结构中压控振荡器难以实现前馈的局限，从而大幅缩短了测量时间；此外，通过自适应偏置的浮动反相放大器构建第一级积分器，进一步优化了系统的整体能效。

基于上述技术创新，该芯片原型在0-1.2 pF的测量范围、10.4 μs的转换时间内，实现了93.8 dB的信噪比与高达185.2 dB的FoMs能效。在转换时间低于50 μs的低延迟电容传感器读出电路中，该芯片同时实现了最优的信噪比与最佳的能效表现。

本研究成果在学术与应用两个维度均具有重要的借鉴与拓展意义。在学术层面，芯片中所采用的基于斩波的采样噪声消除技术、相位域前馈补偿方法以及基于浮动反相放大器的积分器设计，为高性能数据转换器的设计提供了可迁移的技术思路。在应用层面，该研究为无人机精准控制、具身智能系统等依赖高动态实时感知与快速响应的前沿领域提供了可行的传感解决方案，有助于推动相关系统在复杂环境中实现更敏捷、更可靠的智能交互与决策。

图1. 增量型缩放式电容-数字转换器架构。

图2. 芯片显微镜照片。

图3. 测试结果。

相关成果以“A 185.2dB-FoMs 8.7aFrms Zoomed Capacitance-to-Digital Converter with Chopping-Based kT/C Noise Cancellation and Add-Then-Subtract Phase-Domain Lead-Compensation Technique”为题发表于国际固态电路会议（International Solid-State Circuits Conference，ISSCC）上，论文的第一作者为北京大学博士生李秉芮，通讯作者是北京大学唐希源研究员。

2 主要作者简介

第一作者

李秉芮，北京大学人工智能研究院、集成电路学院博士研究生。

2024年毕业于北京大学元培学院，获得理学学士学位。目前于北京大学人工智能研究院、集成电路学院攻读博士学位。他的研究兴趣包括：传感器前端设计、模拟与混合信号集成电路设计。

通讯作者

唐希源，北京大学人工智能研究院、集成电路学院研究员。

唐希源研究员分别于2012年和2019年在上海交通大学和UT Austin获得学士和博士学位。2015年至2017年，他于Silicon Labs主持ADC设计，分别于90 nm、40 nm实现高量产。2019年至2021年，他在UT Austin从事博士后科研。他于2021年加入北京大学人工智能研究院、集成电路学院。他的主要研究兴趣包括高性能模拟混合信号前端、数据转换器、人工智能芯片等。研究成果发表于国际知名期刊和会议，包括ISSCC、JSSC、VLSI、DAC等，并于2020年获得IEEE SSCS Rising Stars Award。他目前担任IEEE ISSCC/A-SSCC技术委员会成员及IEEE Solid-State Circuits Letters副主编。

3 原文传递

https://doi.org/10.1109/ISSCC49661.2025.10904622