從穿戴式醫療 看模擬元件的整合與獨立

談到系統層級的設計，不外乎類(lèi)比與混合訊號電路，再加上數位訊號處理與控制的流程，少了哪一個(gè)環(huán)結，系統都無(wú)法運作。而在類(lèi)比前端電路的設計上，臺北科技大學(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(系統單晶片)的方向邁進(jìn)，同時(shí)也希望滿(mǎn)足更為多元的需求，因為就電路布局而言，晶片愈少，愈能省去更多的電路布局，實(shí)務(wù)上能節省更多工作負擔。

但就目前來(lái)看，在晶片整合上還是有些地方難以克服，舉例來(lái)說(shuō)，在心率量測的應用上，像是10位元或是12位元的ADC(類(lèi)比數位訊號轉換器)，大多都可以被整合在MCU中，但若是量測血氧，就必須動(dòng)用到24位元等級的ADC，在整合上還是有不少困難，所以將ADC獨立于MCU之外來(lái)進(jìn)行設計會(huì )是較為理想的作法。

不過(guò)，李仁貴進(jìn)一步談到，普遍來(lái)看，就穿戴式醫療電子的設計而言，元件的整合程度，大多用兩顆晶片就能搞定。一顆是類(lèi)比前端電路，另一顆則是MCU本身。就目前而言，類(lèi)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(藍牙低功耗)結合，這可以說(shuō)是在系統整合層面上，最為干凈的電路設計了。

當然，更進(jìn)一步地從實(shí)務(wù)層面來(lái)探討，還是有些元件加以獨立，對于系統設計會(huì )較為有利。李仁貴表示，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(lèi)的系統設計，它不僅要被獨立出來(lái)，同時(shí)也必須跟影像感測器或是麥克風(fēng)這類(lèi)元件搭配，為的就是希望在訊號源可以有更高的品質(zhì)。李仁貴也指出，生理訊號是一種很慢的訊號源，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(lèi)比前端電路整合晶片上，其電阻與電容就會(huì )采用外掛式的設計。當然，如果濾波器本身可以動(dòng)態(tài)調整的話(huà)，因應不同應用，如腦波與血氧本身就有不同的波長(cháng)，濾波器就能進(jìn)行調整，所以采取獨立設計，也是相對較佳的作法。

而李仁貴也提醒，穿戴式醫療的系統設計，在短期內可能在規格上還無(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，但規格確定之后，這也意味著(zhù)系統所需要的晶片也能一并確認，長(cháng)期來(lái)看，要將晶片加以整合，或是采用SiP(系統級封裝)的作法來(lái)縮小系統體積，這都不是問(wèn)題。他特別提醒，開(kāi)發(fā)高度整合的SoC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)，即便是半導體大廠(chǎng)TI(德州儀器)，其旗下的產(chǎn)品也不是每顆都是高度整合，這表示了市場(chǎng)的需求就是處在一個(gè)不明確的狀態(tài)。