醫(yī)療IC設(shè)計工藝:雙極性與CMOS

　　可植入、可消化、可互動、可互操作以及支持因特網(wǎng)，這些醫(yī)療設(shè)備現(xiàn)在及未來獨(dú)特的需求都要求合適的IC工藝技術(shù)與封裝。本文將對醫(yī)療半導(dǎo)體器件采用的雙極性（bipolar）與CMOS工藝進(jìn)行比較，并將對需要重點(diǎn)注意的部分封裝問題進(jìn)行闡述。

　　醫(yī)療應(yīng)用的開發(fā)人員必須在功耗、噪聲、線性度、可靠性以及成本之間進(jìn)行權(quán)衡，需要根據(jù)這些要求精心選擇工藝與設(shè)計架構(gòu)。

　　本文將對雙極性器件與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)字功能并同時要求低噪聲時。這種彼此相悖的需求有時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，包括生物信號的直接測量與自供電設(shè)備等。這些趨勢將推動現(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部分。這兩個部分負(fù)責(zé)驅(qū)動傳感器與數(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)計這種類型的接收模塊時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可支持超過100dB的振幅變化。因此，低級信號（約10uV）端上的輸入噪聲與大型輸入信號（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