模擬元件整不整合 得看終端應用

　　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)，

　　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SoC?

　　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，ADI(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ADI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。

　　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：ADI)

　　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。