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EEPW首頁(yè) > 模擬技術(shù) > 設計應用 > 模擬元件整不整合 得看終端應用

模擬元件整不整合 得看終端應用

作者: 時(shí)間:2014-11-13 來(lái)源:CTIMES 收藏

  對一些剛入行的工程師來(lái)說(shuō)或是電子電機的學(xué)生們來(lái)說(shuō),

本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/265242.htm

  類(lèi)比元件的獨立與整合,可能會(huì )讓人傻傻的分不清,

  究竟何種情況下要選擇獨立型元件或是高度整合的?

  用最安全的說(shuō)法,就是端看系統應用為何。

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

  至于整合與獨立之間的差異要如何定義,(亞德諾半導體)資深應用工程師簡(jiǎn)百鐘表示,產(chǎn)業(yè)界并沒(méi)有標準答案,充其量只能依照不同應用來(lái)提供對應的解決方案,舉例來(lái)說(shuō),我們時(shí)??梢钥吹?0位元或是12位元的ADC被整合進(jìn)MCU中,甚至是到了一個(gè)相當泛濫的程度,但旗下也有24位元的ADC被整合進(jìn)數位產(chǎn)品線(xiàn)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,但也失去了設計彈性,舉例來(lái)說(shuō),光通訊應用只要用MCU內建的ADC即可,但若是量測儀器類(lèi)或是高階的無(wú)線(xiàn)通訊基地臺等應用,考量到性能需求,獨立型的訊號轉換元件就會(huì )派上用場(chǎng)。

  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(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。

  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。

  

 

  圖一 : 考量到資料傳輸的使用情境,整合無(wú)線(xiàn)傳輸功能的MCU已是相當常見(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(lèi)元件被整合進(jìn)MCU中,也要考量到ENOB(有效位元數)的表現,有些業(yè)者標榜MCU內建12位元的ADC,但實(shí)際表現卻僅有8或9位元的性能,這就表示規格與實(shí)際的表現有所落差,這是系統業(yè)者必須注意的地方。而在類(lèi)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)應用就會(huì )有很大的不同,即便是工業(yè)應用,還是可以細分成不同的次領(lǐng)域,廣泛來(lái)看,從系統成本、客制化再到訊號放大的倍率的不同,在不同的應用領(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。

  考量到速度與精準度 獨立型元件仍是首選

  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。

  美信(Maxim Integrated)中小客戶(hù)市場(chǎng)產(chǎn)品線(xiàn)行銷(xiāo)總監李益明也指出,這些獨立的訊號轉換器元件,還是有很多特色與性能是整合MCU難以達到的,比如SNR(訊號雜訊比)、INL、取樣速率、驅動(dòng)能力、crosstalk等,在一些要求比較高的場(chǎng)合,比如醫療影像與高性能儀器等,它們對速度或者精準度或者兩者都有要求的情況下,就只能依靠獨立的訊號轉換器才能完成。

  李益明也以醫療電子為例,像是醫療影像與醫療儀器,由于性能要求,就會(huì )需要獨立型的ADC與DAC,對于前述所提到的性能表現都會(huì )有一定要求。像是影像設備,過(guò)去大多都是12位元為主,但現在大多都改采14或是16位元,如超音波影像現在至少也是從14位元起跳、DR(數位X光直接成像系統)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 : 醫療機構所使用的設備大多還是要考量性能表現,成本反而不是首要考量的因素。(Source:www.newscenter.philips.com/)

  獨立型元件需具備彈性與相容特色

  簡(jiǎn)百鐘提到,獨立型的類(lèi)比與混合訊號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)高對于元件表現有著(zhù)直接的負面影響,進(jìn)而讓整體系統進(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(huà),對于系統設計就能擁有相當高度設計彈性,工程師能依照系統需求選擇不同的ADC,而不用更動(dòng)其他設計。

  李仁貴補充說(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(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)。他也指出,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,是相對較佳的作法。

  

 

  圖三 : ADC的獨立,不外乎是因為需要高速或是高精準度的系統設計。(Source:)

  規格確定 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。屆時(shí),半導體業(yè)者就會(huì )采取行動(dòng),透過(guò)大量量產(chǎn)的作法來(lái)滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。

  他特別提醒,開(kāi)發(fā)高度整合的本身沒(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),即便是半導體大廠(chǎng)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)。

  結論

  半導體技術(shù)的演進(jìn),使得數位與類(lèi)比元件開(kāi)始進(jìn)入整合的時(shí)代,但相對的,晶片整合雖然能減少整體系統成本與面積,但就性能表現能否滿(mǎn)足較為特殊的系統應用,這就有待商榷了??梢源_定的是,短期內要看到類(lèi)比晶片乃至于數位晶片的高度整合,還是得看終端應用的市場(chǎng)與需求而定,在不明朗的情況下,開(kāi),適當的獨立型元件還是有其發(fā)揮的空間,當然,若能適當地加以整合,也有助于系統成本與面積的降低,最終還是得看系統整合業(yè)者們的需求而定。



關(guān)鍵詞: ADI 模擬元件 SoC

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