雙極性器件還是CMOS器件比較

本文將對(duì)雙極性器件與CMOS器件進(jìn)行比較，幫助用戶判斷每款器件的適用之處。文中將以高性能超聲波設(shè)備為例，探討如何平衡噪聲、功耗、芯片占位面積以及集成度等問題。

　　功耗在許多電池供電應(yīng)用中都非常重要。在這類應(yīng)用中，CMOS工藝是個(gè)極好的選擇。但是，漏電與性能之間的平衡也很關(guān)鍵，決定著技術(shù)的選擇。此外，在這類應(yīng)用中，混合信號(hào)集成也是一項(xiàng)重要要求。

　　高效使用一些封裝技術(shù)可滿足在單個(gè)集成電路中實(shí)現(xiàn)大量功能的需求，比如在支持密集數(shù)字功能并同時(shí)要求低噪聲時(shí)。這種彼此相悖的需求有時(shí)也可采用多芯片模塊輕松滿足。

　　本文還將探討醫(yī)療設(shè)備的未來發(fā)展趨勢(shì)，包括生物信號(hào)的直接測(cè)量與自供電設(shè)備等。這些趨勢(shì)將推動(dòng)現(xiàn)有工藝技術(shù)的改良，以滿足能源采集特性和其它非標(biāo)準(zhǔn)傳感器功能。

　　模擬性能

　　首先以超聲波設(shè)備為例來探討模擬性能需求。通過該范例，本文將介紹如何在性能、功耗、尺寸以及集成度之間進(jìn)行權(quán)衡，并檢測(cè)雙極性與CMOS工藝技術(shù)的適用性。圖1是典型超聲波機(jī)器的系統(tǒng)方框圖，展示了傳輸與接收兩個(gè)部分。這兩個(gè)部分負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)傳感器與數(shù)字處理部分(未顯示)，從而構(gòu)成完整的超聲波設(shè)備。

　　圖1：超聲波系統(tǒng)框圖

　　在設(shè)計(jì)這種類型的接收模塊時(shí)需要考慮的問題包括輸入噪聲、線性度、增益以及功耗。給定封裝尺寸的接收通道數(shù)量決定了集成度。從傳感器接收到的信號(hào)可支持超過100dB的振幅變化。因此，低級(jí)信號(hào)(約10uV)端上的輸入噪聲與大型輸入信號(hào)(約1V)的線性度都是非常重要的性能參數(shù)。要適應(yīng)這種大的動(dòng)態(tài)范圍，可通過電壓控制衰減器(VCA)和可編程增益放大器(PGA)調(diào)節(jié)通道增益。圖3顯示了幾種PGA設(shè)置下，通過器件的總體增益隨VCA上電壓變化的情況。

　　圖2：圖1中執(zhí)行接收功能部分的詳細(xì)方框圖

　　圖3：接收模塊增益隨電壓控制變化的曲線圖

下面將比較雙極性放大器與CMOS放大器的性能。雙極性器件與CMOS器件都可用于設(shè)計(jì)支持4mA偏置電流的開環(huán)放大器模塊，實(shí)現(xiàn)20dB增益。這里把(TI內(nèi)部的)BiCMOS工藝為目標(biāo)工藝技術(shù)。

　　表1是用于放大器的雙極性器件和CMOS器件的尺寸比較。CMOS器件較大的尺寸及伴隨的輸入電容嚴(yán)重限制了放大器的輸入帶寬。在本例中，采用雙極性放大器可實(shí)現(xiàn)低偏置電流下的低噪聲。但使用雙極性器件可能會(huì)有基電流噪聲，而這在CMOS器件中則可以忽略不計(jì)。該基電流噪聲的幅度取決于傳感器的阻抗和系統(tǒng)具體的實(shí)施情況。

　　表1：雙極性器件和COMS器件的尺寸比較

　　混合信號(hào)與低功耗應(yīng)用

　　據(jù)觀察，在特定的醫(yī)療應(yīng)用中，雙極性器件的模擬性能優(yōu)于CMOS器件。但有些應(yīng)用需要處理混合信號(hào)，對(duì)于模擬和數(shù)字兩種處理能力都有要求。這類應(yīng)用一般都需要有極低功耗的運(yùn)行能力。

　　例如，心臟起搏器等植入式設(shè)備要以有限的電源長期工作。這種設(shè)備既需要低功耗模擬電路來檢測(cè)身體的生理信號(hào)，又需要低功耗數(shù)字及存儲(chǔ)器功能來轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)這些信號(hào)。此外，高級(jí)植入式設(shè)備還需要低功耗無線通信為體外的基本單元傳輸信息。

　　通過對(duì)信號(hào)類型和工作模式進(jìn)行更深入的分析，可以看出這些設(shè)備一般都具有低占空比。比如，它們只有在進(jìn)行測(cè)量或處理的極短時(shí)間內(nèi)被激活，其余大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài)。占空比不足 1%的情況在這些應(yīng)用中并不少見。另一個(gè)特性是大多數(shù)信號(hào)本身都處于低頻率狀態(tài)。因此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的帶寬和采樣頻率可限定為數(shù)十千赫茲甚至更低。此外，一些使用的外部電池供電的消費(fèi)類設(shè)備也具有類似的性能與功耗要求。

　　除了具備足夠的工作性能外，根據(jù)以上要求，這些設(shè)備還需具備低斷態(tài)漏電電流。這就意味著