双极性与CMOS放大器性能比较 - 医疗IC设计工艺:双极性与CMOS

　　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。

　　表1：双极性器件和COMS器件的尺寸比较

　　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则具有显著的温度相关性。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。

　　图4：NMOS设备中漏电流与驱动电流随温度变化

　　图5：PMOS设备中漏电流与驱动电流随温度变化

　　图6：环形振荡器频率被看作电源功能之一