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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。
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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。
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2 M" h& A( ]% Y# R) Z! ?# r 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。
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' x4 S+ L2 Z# l' P* e* q$ o 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。
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; m! n5 S0 ^+ X; H! m3 z' l0 Z8 }0 Y模拟性能
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% X3 Z6 T" Y" w, R7 R) c+ }; O 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。
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/ r- \+ B8 z; g, F. I& P图1：超声波系统框图
- X: A, Y6 f" M& q: q, M1 k 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。
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图2：图1中执行接收功能部分的详细方框图
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图3：接收模块增益随电压控制变化的曲线图
1 b# W8 W5 N4 p6 }5 b/ Z& N7 r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。
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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。
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+ |6 i! S6 R9 V4 Z; ]表1：双极性器件和COMS器件的尺寸比较
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发表于 2019-11-14 18:54
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