模擬元件整不整合 得看終端應(yīng)用

　　對(duì)一些剛?cè)胄械墓こ處焷?lái)說(shuō)或是電子電機(jī)的學(xué)生們來(lái)說(shuō)，

　　類比元件的獨(dú)立與整合，可能會(huì)讓人傻傻的分不清，

　　究竟何種情況下要選擇獨(dú)立型元件或是高度整合的SoC?

　　用最安全的說(shuō)法，就是端看系統(tǒng)應(yīng)用為何。

　　我們都知道，半導(dǎo)體制程的不斷演進(jìn)讓MCU(微控制器)或是MPU(微處理器)的性能表現(xiàn)不斷提升，與此同時(shí)也會(huì)整合更多類比或混合訊號(hào)，甚至是離散元件，但我們也知道，市場(chǎng)還是有許多獨(dú)立型的類比與混合訊號(hào)元件，像是ADC(類比數(shù)立訊號(hào)轉(zhuǎn)換器)、DAC(數(shù)位類比訊號(hào)轉(zhuǎn)換器)或是放大器元件等，都相當(dāng)常見(jiàn)。

　　至于整合與獨(dú)立之間的差異要如何定義，ADI(亞德諾半導(dǎo)體)資深應(yīng)用工程師簡(jiǎn)百鐘表示，產(chǎn)業(yè)界并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案，充其量只能依照不同應(yīng)用來(lái)提供對(duì)應(yīng)的解決方案，舉例來(lái)說(shuō)，我們時(shí)常可以看到10位元或是12位元的ADC被整合進(jìn)MCU中，甚至是到了一個(gè)相當(dāng)泛濫的程度，但ADI旗下也有24位元的ADC被整合進(jìn)數(shù)位產(chǎn)品線里。

　　整合省成本 但也有其他問(wèn)題待解

　　簡(jiǎn)百鐘進(jìn)一步指出，高度整合的元件的確有其成本上的優(yōu)勢(shì)，但也失去了設(shè)計(jì)彈性，舉例來(lái)說(shuō)，光通訊應(yīng)用只要用MCU內(nèi)建的ADC即可，但若是量測(cè)儀器類或是高階的無(wú)線通訊基地臺(tái)等應(yīng)用，考量到性能需求，獨(dú)立型的訊號(hào)轉(zhuǎn)換元件就會(huì)派上用場(chǎng)。

　　在類比前端電路的設(shè)計(jì)上，臺(tái)北科技大學(xué)電子工程系李仁貴教授便談到，以穿戴式裝置為例，大家都會(huì)希望MCU(微控制器)能朝向SoC(系統(tǒng)單晶片)的方向邁進(jìn)，同時(shí)也希望滿足更為多元的需求，因?yàn)榫碗娐凡季侄?，晶片愈少，愈能省去更多的電路布局，?shí)務(wù)上能節(jié)省更多工作負(fù)擔(dān)。

　　不過(guò)，李仁貴進(jìn)一步談到，普遍來(lái)看，就穿戴式醫(yī)療電子的設(shè)計(jì)而言，元件的整合程度，大多用兩顆晶片就能搞定。一顆是類比前端電路，另一顆則是MCU本身。就目前而言，類比電路前端的整合已經(jīng)可以將儀表放大器(Instrumentation Amplifier;INA)、濾波器(Filter)與可程式增益放大器(Programmable Gain Amplifier;PGA)加以整合，MCU本身則可以將ADC、MCU與BLE(藍(lán)牙低功耗)結(jié)合，這可以說(shuō)是在系統(tǒng)整合層面上，最為干凈的電路設(shè)計(jì)了。

　　圖一 : 考量到資料傳輸?shù)氖褂们榫?，整合無(wú)線傳輸功能的MCU已是相當(dāng)常見(jiàn)的晶片。此為T(mén)I旗下某一BLE晶片的方塊圖。(Source：TI)

　　但簡(jiǎn)百鐘也提醒，即便ADC這類元件被整合進(jìn)MCU中，也要考量到ENOB(有效位元數(shù))的表現(xiàn)，有些業(yè)者標(biāo)榜MCU內(nèi)建12位元的ADC，但實(shí)際表現(xiàn)卻僅有8或9位元的性能，這就表示規(guī)格與實(shí)際的表現(xiàn)有所落差，這是系統(tǒng)業(yè)者必須注意的地方。而在類比前端電路的整合上，簡(jiǎn)百鐘則是指出，還是得看市場(chǎng)需求而定，像是通訊與工業(yè)應(yīng)用就會(huì)有很大的不同，即便是工業(yè)應(yīng)用，還是可以細(xì)分成不同的次領(lǐng)域，廣泛來(lái)看，從系統(tǒng)成本、客制化再到訊號(hào)放大的倍率的不同，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域都有其探討的空間，即便元件本身具備可程式化的能力，恐怕還是無(wú)法一網(wǎng)打盡。

　　考量到速度與精準(zhǔn)度 獨(dú)立型元件仍是首選

　　不過(guò)，就目前來(lái)看，在晶片整合上還是有些地方難以克服，舉例來(lái)說(shuō)，在心率量測(cè)的應(yīng)用上，像是10位元或是12位元的ADC(類比數(shù)位訊號(hào)轉(zhuǎn)換器)，大多都可以被整合在MCU中，但若是量測(cè)血氧，就必須動(dòng)用到24位元等級(jí)的ADC，在整合上還是有不少困難，所以將ADC獨(dú)立于MCU之外來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)會(huì)是較為理想的作法。

　　美信(Maxim Integrated)中小客戶市場(chǎng)產(chǎn)品線行銷總監(jiān)李益明也指出，這些獨(dú)立的訊號(hào)轉(zhuǎn)換器元件，還是有很多特色與性能是整合MCU難以達(dá)到的，比如SNR(訊號(hào)雜訊比)、INL、取樣速率、驅(qū)動(dòng)能力、crosstalk等，在一些要求比較高的場(chǎng)合，比如醫(yī)療影像與高性能儀器等，它們對(duì)速度或者精準(zhǔn)度或者兩者都有要求的情況下，就只能依靠獨(dú)立的訊號(hào)轉(zhuǎn)換器才能完成。

　　李益明也以醫(yī)療電子為例，像是醫(yī)療影像與醫(yī)療儀器，由于性能要求，就會(huì)需要獨(dú)立型的ADC與DAC，對(duì)于前述所提到的性能表現(xiàn)都會(huì)有一定要求。像是影像設(shè)備，過(guò)去大多都是12位元為主，但現(xiàn)在大多都改采14或是16位元，如超音波影像現(xiàn)在至少也是從14位元起跳、DR(數(shù)位X光直接成像系統(tǒng))與MRI(Magnetic Resonance Imaging;磁共振成像)就要求16位元，CT(Computed tomography;電腦斷層掃描)則為20位元。

　　圖二 : 醫(yī)療機(jī)構(gòu)所使用的設(shè)備大多還是要考量性能表現(xiàn)，成本反而不是首要考量的因素。(Source：www.newscenter.philips.com/)

　　獨(dú)立型元件需具備彈性與相容特色

　　簡(jiǎn)百鐘提到，獨(dú)立型的類比與混合訊號(hào)元件在功耗上必須盡可能降至最低，功耗的增加意味溫度的提升，溫度過(guò)高對(duì)于元件表現(xiàn)有著直接的負(fù)面影響，進(jìn)而讓整體系統(tǒng)進(jìn)入惡性循環(huán)。另一個(gè)值得注意的是能否接腳相容，像是從14、16到18位元的ADC都能作到接腳相容的話，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)就能擁有相當(dāng)高度設(shè)計(jì)彈性，工程師能依照系統(tǒng)需求選擇不同的ADC，而不用更動(dòng)其他設(shè)計(jì)。

　　李仁貴補(bǔ)充說(shuō)明指出，像是24位元的ADC，通常就會(huì)被用在心室收縮或是血液反彈這類的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它不僅要被獨(dú)立出來(lái)，同時(shí)也必須跟影像感測(cè)器或是麥克風(fēng)這類元件搭配，為的就是希望在訊號(hào)源可以有更高的品質(zhì)。他也指出，生理訊號(hào)是一種很慢的訊號(hào)源，像是濾波器本身，搭配的電阻與電容，其面積占比就會(huì)大一些，但在類比前端電路整合晶片上，其電阻與電容就會(huì)采用外掛式的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，如果濾波器本身可以動(dòng)態(tài)調(diào)整的話，因應(yīng)不同應(yīng)用，如腦波與血氧本身就有不同的波長(zhǎng)，濾波器就能進(jìn)行調(diào)整，所以采取獨(dú)立設(shè)計(jì)，是相對(duì)較佳的作法。

　　圖三 : ADC的獨(dú)立，不外乎是因?yàn)樾枰咚倩蚴歉呔珳?zhǔn)度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。(Source：ADI)

　　規(guī)格確定 整合才能充分發(fā)揮效益

　　而李仁貴也提醒，穿戴式醫(yī)療的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在短期內(nèi)可能在規(guī)格上還無(wú)法有明確的定義，所以打前鋒的，一般來(lái)說(shuō)都是OEM業(yè)者居多，但規(guī)格確定之后，這也意味著系統(tǒng)所需要的晶片也能一并確認(rèn)，長(zhǎng)期來(lái)看，要將晶片加以整合，或是采用SiP(系統(tǒng)級(jí)封裝)的作法來(lái)縮小系統(tǒng)體積，這都不是問(wèn)題。屆時(shí)，半導(dǎo)體業(yè)者就會(huì)采取行動(dòng)，透過(guò)大量量產(chǎn)的作法來(lái)滿足市場(chǎng)需求。

　　他特別提醒，開(kāi)發(fā)高度整合的SoC本身沒(méi)有問(wèn)題，但市場(chǎng)沒(méi)有需求，就沒(méi)有意義可言。他也說(shuō)，即便是半導(dǎo)體大廠TI(德州儀器)，其旗下的產(chǎn)品也不是每顆產(chǎn)品都是高度整合，這表示了市場(chǎng)的需求就是處在一個(gè)不明確的狀態(tài)。

　　結(jié)論

　　半導(dǎo)體技術(shù)的演進(jìn)，使得數(shù)位與類比元件開(kāi)始進(jìn)入整合的時(shí)代，但相對(duì)的，晶片整合雖然能減少整體系統(tǒng)成本與面積，但就性能表現(xiàn)能否滿足較為特殊的系統(tǒng)應(yīng)用，這就有待商榷了。可以確定的是，短期內(nèi)要看到類比晶片乃至于數(shù)位晶片的高度整合，還是得看終端應(yīng)用的市場(chǎng)與需求而定，在不明朗的情況下，開(kāi)，適當(dāng)?shù)莫?dú)立型元件還是有其發(fā)揮的空間，當(dāng)然，若能適當(dāng)?shù)丶右哉?，也有助于系統(tǒng)成本與面積的降低，最終還是得看系統(tǒng)整合業(yè)者們的需求而定。