双极性还是CMOS 为超声波设备选择合适的IC

        可植入、可消化、可互动、可互操作以及支持因特网，这些医疗设备现在及未来独特的需求都要求合适的IC工艺技术与封装。本文将对医疗半导体器件采用的双极性(bipolar)与CMOS工艺进行比较，并将对需要重点注意的部分封装问题进行阐述。
医疗应用的开发人员必须在功耗、噪声、线性度、可靠性以及成本之间进行权衡，需要根据这些要求精心选择工艺与设计架构。
本文将对双极性器件与CMOS器件进行比较，帮助用户判断每款器件的适用之处。文中将以高性能超声波设备为例，探讨如何平衡噪声、功耗、芯片占位面积以及集成度等问题。
功耗在许多电池供电应用中都非常重要。在这类应用中，CMOS工艺是个极好的选择。但是，漏电与性能之间的平衡也很关键，决定着技术的选择。此外，在这类应用中，混合信号集成也是一项重要要求。
高效使用一些封装技术可满足在单个集成电路中实现大量功能的需求，比如在支持密集数字功能并同时要求低噪声时。这种彼此相悖的需求有时也可采用多芯片模块轻松满足。
本文还将探讨医疗设备的未来发展趋势，包括生物信号的直接测量与自供电设备等。这些趋势将推动现有工艺技术的改良，以满足能源采集特性和其它非标准传感器功能。
模拟性能

首先以超声波设备为例来探讨模拟性能需求。通过该范例，本文将介绍如何在性能、功耗、尺寸以及集成度之间进行权衡，并检测双极性与CMOS工艺技术的适用性。图1是典型超声波机器的系统方框图，展示了传输与接收两个部分。这两个部分负责驱动传感器与数字处理部分(未显示)，从而构成完整的超声波设备。



在设计这种类型的接收模块时需要考虑的问题包括输入噪声、线性度、增益以及功耗。给定封装尺寸的接收通道数量决定了集成度。从传感器接收到的信号可支持超过100dB的振幅变化。因此，低级信号(约10uV)端上的输入噪声与大型输入信号(约1V)的线性度都是非常重要的性能参数。要适应这种大的动态范围，可通过电压控制衰减器(VCA)和可编程增益放大器(PGA)调节通道增益。图3显示了几种PGA设置下，通过器件的总体增益随VCA上电压变化的情况。





       

下面将比较双极性放大器与CMOS放大器的性能。双极性器件与CMOS器件都可用于设计支持4mA偏置电流的开环放大器模块，实现20dB增益。这里把(TI内部的)BiCMOS工艺为目标工艺技术。
表1是用于放大器的双极性器件和CMOS器件的尺寸比较。CMOS器件较大的尺寸及伴随的输入电容严重限制了放大器的输入带宽。在本例中，采用双极性放大器可实现低偏置电流下的低噪声。但使用双极性器件可能会有基电流噪声，而这在CMOS器件中则可以忽略不计。该基电流噪声的幅度取决于传感器的阻抗和系统具体的实施情况。



混合信号与低功耗应用
据观察，在特定的医疗应用中，双极性器件的模拟性能优于CMOS器件。但有些应用需要处理混合信号，对于模拟和数字两种处理能力都有要求。这类应用一般都需要有极低功耗的运行能力。
例如，心脏起搏器等植入式设备要以有限的电源长期工作。这种设备既需要低功耗模拟电路来检测身体的生理信号，又需要低功耗数字及存储器功能来转换和存储这些信号。此外，高级植入式设备还需要低功耗无线通信为体外的基本单元传输信息。
通过对信号类型和工作模式进行更深入的分析，可以看出这些设备一般都具有低占空比。比如，它们只有在进行测量或处理的极短时间内被激活，其余大部分时间都处于休眠状态。占空比不足 1%的情况在这些应用中并不少见。另一个特性是大多数信号本身都处于低频率状态。因此数据转换器的带宽和采样频率可限定为数十千赫兹甚至更低。此外，一些使用的外部电池供电的消费类设备也具有类似的性能与功耗要求。
除了具备足够的工作性能外，根据以上要求，这些设备还需具备低断态漏电电流。这就意味着在这种工艺技术中必须权衡性能与漏电。一般来说，这些工艺的栅极长度在130nm到350nm之间，将来也可能达到到90nm。对于可移植设备而言，漏电流性能可随工艺、温度或电源的变化而变化，这是一个重要参数，因为它将直接影响电池的使用寿命。


       

图4显示了采用NMOS工艺设备的漏电流(Ioff)与驱动电流(Idrive)随温度变化而变化的情况。Idrive与温度变化关系不大，而Ioff则具有显着的温度相关性。图5是PMOS设备的温度相关性图。由于温度变化幅度不大，Ioff随温度变动的情况可以接受。图6所示的是环形振荡器频率，是一项显示设备电源电压功能典型的品质因数，在实际应用中也可作为权衡漏电与性能的准则。





设计低功耗混合信号设备的另一个重要组件是高可靠性、小型、低功耗非易失性存储器。铁电存储器(FRAM)可提供独特的性能，是众多应用中极具吸引力的非易失性存储器选择，其与众不同的特性包括类似RAM的快速写入速度、低电压低功耗写入工作、超长使用寿命以及高灵活度的架构等。该存储器已经集成至上文所述的低功耗数字工艺技术中。
FRAM的工作电压为1.5V，与浮栅器件不同，它不需要充电泵。与所有非易失性存储器一样，其可靠性问题主要涉及写入/读取周期持久性、数据保持以及高温使用寿命。即便在多次工作之后，FRAM也可保持优异的非周期和周期位性能。


       
封装技术
当需要在同一IC中实现不同性能指标时，可高效使用封装技术。例如，一些应用需要同时具有低噪声、低功耗数字性能，可通过将两种不同工艺的硅裸片布置在同一封装中来实现。可将硅裸片进行堆栈，节省电路板空间。随着封装技术的不断发展，还可将电感器与电容器等无源元件集成在封装内。板上裸片贴装(Chip on Board)技术能够将整个IC完全嵌入到印刷电路板中，为密集型应用节省宝贵的空间。
未来趋势
医疗电子产业涉及广泛的领域，工艺与封装在这些领域中的革新有助于产生创新的解决方案。例如：使用传感器在体表或者甚至插入皮下测量生理信号的技术正推动着弹性基板及专用粘合剂的改进。随药片服下的IC既可跟踪药物适用性也可发挥测量或传送药物的作用。这类应用对可消化电子产品、药片包衣以及人体排异抑制技术提出了挑战。
高压(约100V)工艺的改进可成比例实现超声波传输通道密度的增量。微型机械加工的创新不但可实现超声波探针(CMUT，即电容式微机械超声波传感器)的微型化、批量生产以及大通道数量，而且还可进行全面分析实验(片上实验室或者LOC)。
能源采集是另一个新兴领域，通过部分或完全取代电池延长设备的使用寿命。值得考虑的几项技术是热能、振动能和太阳能。这些能源采集技术将带来对电路设计与工艺的新一轮需求。
医疗电子产业正在不断发展，其对性能、功耗以及集成度有着独特的需求。本文中只介绍了这些需求及未来发展趋势的一部分，但还有许多东西需要探讨。