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對一些剛入行的工程師來說或是電子電機的學生們來說， 類比元件的獨立與整合，可能會讓人傻傻的分不清， 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，與此同時也會整合更多類比或混合訊號，甚至是離散元件，但我們也知道，市場還是有許多獨立型的類比與混合訊號元件，像是ADC(類比數立訊號轉換器)、DAC(數位類比訊號轉換器)或是放大器元件等，都相當常見。 至于整合與獨立之間的差異要如何定義，ADI(亞德諾半導體)資深應用工程師簡百鐘表示，產業界并沒有標準答案，充其量只能依照不同應用來提供對應的解決方案，舉例來說，我們時常可以看到10位元或是12位元的ADC被整合進MCU中，甚至是到了一個相當泛濫的程度，但ADI旗下也有24位元的ADC被整合進數位產品線里。 整合省成本 但也有其他問題待解 簡百鐘進一步指出，高度整合的元件的確有其成本上的優勢，但也失去了設計彈性，舉例來說，光通訊應用只要用MCU內建的ADC即可，但若是量測儀器類或是高階的無線通訊基地臺等應用，考量到性能需求，獨立型的訊號轉換元件就會派上用場。 在類比前端電路的設計上，臺北科技大學電子工程系李仁貴教授便談到，以穿戴式裝置為例，大家都會希望MCU(微控制器)能朝向SoC(系統單晶片)的方向邁進，同時也希望滿足更為多元的需求，因為就電路布局而言，晶片愈少，愈能省去更多的電路布局，實務上能節省更多工作負擔。 不過，李仁貴進一步談到，普遍來看，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  GA)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，整合無線傳輸功能的MCU已是相當常見的晶片。此為TI旗下某一BLE晶片的方塊圖。(Source：TI) 但簡百鐘也提醒，即便ADC這類元件被整合進MCU中，也要考量到ENOB(有效位元數)的表現，有些業者標榜MCU內建12位元的ADC，但實際表現卻僅有8或9位元的性能，這就表示規格與實際的表現有所落差，這是系統業者必須注意的地方。而在類比前端電路的整合上，簡百鐘則是指出，還是得看市場需求而定，像是通訊與工業應用就會有很大的不同，即便是工業應用，還是可以細分成不同的次領域，廣泛來看，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，恐怕還是無法一網打盡。 考量到速度與精準度 獨立型元件仍是首選 不過，就目前來看，在晶片整合上還是有些地方難以克服，舉例來說，在心率量測的應用上，像是10位元或是12位元的ADC(類比數位訊號轉換器)，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之外來進行設計會是較為理想的作法。 美信(Maxim Integrated)中小客戶市場產品線行銷總監李益明也指出，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、驅動能力、crosstalk等，在一些要求比較高的場合，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，就會需要獨立型的ADC與DAC，對于前述所提到的性能表現都會有一定要求。像是影像設備，過去大多都是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 簡百鐘提到，獨立型的類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，溫度過高對于元件表現有著直接的負面影響，進而讓整體系統進入惡性循環。另一個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，而不用更動其他設計。 李仁貴補充說明指出，像是24位元的ADC，通常就會被用在心室收縮或是血液反彈這類的系統設計，它不僅要被獨立出來，同時也必須跟影像感測器或是麥克風這類元件搭配，為的就是希望在訊號源可以有更高的品質。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，其面積占比就會大一些，但在類比前端電路整合晶片上，其電阻與電容就會采用外掛式的設計。當然，如果濾波器本身可以動態調整的話，因應不同應用，如腦波與血氧本身就有不同的波長，濾波器就能進行調整，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法有明確的定義，所以打前鋒的，一般來說都是OEM業者居多，但規格確定之后，這也意味著系統所需要的晶片也能一并確認，長期來看，要將晶片加以整合，或是采用SiP(系統級封裝)的作法來縮小系統體積，這都不是問題。屆時，半導體業者就會采取行動，透過大量量產的作法來滿足市場需求。 他特別提醒，開發高度整合的SoC本身沒有問題，但市場沒有需求，就沒有意義可言。他也說，即便是半導體大廠TI(德州儀器)，其旗下的產品也不是每顆產品都是高度整合，這表示了市場的需求就是處在一個不明確的狀態。 結論 半導體技術的演進，使得數位與類比元件開始進入整合的時代，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足較為特殊的系統應用，這就有待商榷了。可以確定的是，短期內要看到類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與需求而定，在不明朗的情況下，開，適當的獨立型元件還是有其發揮的空間，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者們的需求而定。 |
