模拟元件整不整合 最终看终端

2018-11-18 作者:shuaishuai   |   浏览(195)

    对一些刚入行的工程师来说或是电子电机的学生们来说,类比元件的独立与整合,可能会让人傻傻的分不清,究竟何种情况下要选择独立型元件或是高度整合的SoC?用最安全的说法,就是端看系统应用为何。

    我们都知道,半导体制程的不断演进让MCU(微控制器)或是MPU(微处理器)的性能表现不断提升,与此同时也会整合更多类比或混合讯号,甚至是离散元件,但我们也知道,市场还是有许多独立型的类比与混合讯号元件,像是ADC(类比数立讯号转换器)、DAC(数位类比讯号转换器)或是放大器元件等,都相当常见。

    至于整合与独立之间的差异要如何定义,ADI(亚德诺半导体)资深应用工程师简百钟表示,产业界并没有标准答案,充其量只能依照不同应用来提供对应的解决方案,举例来说,我们时常可以看到10位元或是12位元的ADC被整合进MCU中,甚至是到了一个相当泛滥的程度,但ADI旗下也有24位元的ADC被整合进数位产品线里。

    整合省成本 但也有其他问题待解

    简百钟进一步指出,高度整合的元件的确有其成本上的优势,但也失去了设计弹性,365bet官网手机,举例来说,光通讯应用只要用MCU内建的ADC即可,但若是量测仪器类或是高阶的无线通讯基地台等应用,考量到性能需求,独立型的讯号转换元件就会派上用场。

    在类比前端电路的设计上,台北科技大学电子工程系李仁贵教授便谈到,以穿戴式装置为例,大家都会希望MCU(微控制器)能朝向SoC(系统单晶片)的方向迈进,同时也希望满足更为多元的需求,因为就电路布局而言,晶片愈少,365bet官网手机,愈能省去更多的电路布局,实务上能节省更多工作负担。

    不过,365bet官网手机,李仁贵进一步谈到,普遍来看,就穿戴式医疗电子的设计而言,元件的整合程度,大多用两颗晶片就能搞定。一颗是类比前端电路,另一颗则是MCU本身。就目前而言,类比电路前端的整合已经可以将仪表放大器(Instrumentation Amplifier;INA)、滤波器(Filter)与可程式增益放大器(Programmable Gain Amplifier;PGA)加以整合,MCU本身则可以将ADC、MCU与BLE(蓝牙低功耗)结合,这可以说是在系统整合层面上,最为干净的电路设计了。

    图一 : 考量到资料传输的使用情境,整合无线传输功能的MCU已是相当常见的晶片。此为TI旗下某一BLE晶片的方块图。(Source:TI)

    但简百钟也提醒,即便ADC这类元件被整合进MCU中,也要考量到ENOB(有效位元数)的表现,有些业者标榜MCU内建12位元的ADC,但实际表现却仅有8或9位元的性能,这就表示规格与实际的表现有所落差,这是系统业者必须注意的地方。而在类比前端电路的整合上,简百钟则是指出,还是得看市场需求而定,像是通讯与工业应用就会有很大的不同,即便是工业应用,还是可以细分成不同的次领域,广泛来看,从系统成本、客制化再到讯号放大的倍率的不同,在不同的应用领域都有其探讨的空间,即便元件本身具备可程式化的能力,恐怕还是无法一网打尽。

    考量到速度与精准度 独立型元件仍是首选

    不过,就目前来看,在晶片整合上还是有些地方难以克服,举例来说,在心率量测的应用上,像是10位元或是12位元的ADC(类比数位讯号转换器),大多都可以被整合在MCU中,但若是量测血氧,就必须动用到24位元等级的ADC,在整合上还是有不少困难,所以将ADC独立于MCU之外来进行设计会是较为理想的作法。

    美信(Maxim Integrated)中小客户市场产品线行销总监李益明也指出,这些独立的讯号转换器元件,还是有很多特色与性能是整合MCU难以达到的,比如SNR(讯号杂讯比)、INL、取样速率、驱动能力、crosstalk等,在一些要求比较高的场合,比如医疗影像与高性能仪器等,它们对速度或者精准度或者两者都有要求的情况下,就只能依靠独立的讯号转换器才能完成。

    李益明也以医疗电子为例,像是医疗影像与医疗仪器,由于性能要求,就会需要独立型的ADC与DAC,对于前述所提到的性能表现都会有一定要求。像是影像设备,过去大多都是12位元为主,但现在大多都改采14或是16位元,如超音波影像现在至少也是从14位元起跳、DR(数位X光直接成像系统)与MRI(Magnetic Resonance Imaging;磁共振成像)就要求16位元,CT(Computed tomography;电脑断层扫描)则为20位元。

    图二 : 医疗机构所使用的设备大多还是要考量性能表现,成本反而不是首要考量的因素。

    独立型元件需具备弹性与相容特色

    简百钟提到,独立型的类比与混合讯号元件在功耗上必须尽可能降至最低,功耗的增加意味温度的提升,温度过高对于元件表现有着直接的负面影响,进而让整体系统进入恶性循环。另一个值得注意的是能否接脚相容,像是从14、16到18位元的ADC都能作到接脚相容的话,对于系统设计就能拥有相当高度设计弹性,工程师能依照系统需求选择不同的ADC,而不用更动其他设计。

    李仁贵补充说明指出,像是24位元的ADC,通常就会被用在心室收缩或是血液反弹这类的系统设计,它不仅要被独立出来,同时也必须跟影像感测器或是麦克风这类元件搭配,为的就是希望在讯号源可以有更高的品质。他也指出,生理讯号是一种很慢的讯号源,像是滤波器本身,搭配的电阻与电容,其面积占比就会大一些,但在类比前端电路整合晶片上,其电阻与电容就会采用外挂式的设计。当然,如果滤波器本身可以动态调整的话,因应不同应用,如脑波与血氧本身就有不同的波长,滤波器就能进行调整,所以采取独立设计,是相对较佳的作法。

    图三 : ADC的独立,不外乎是因为需要高速或是高精准度的系统设计。(Source:ADI)

    规格确定 整合才能充分发挥效益

    而李仁贵也提醒,穿戴式医疗的系统设计,在短期内可能在规格上还无法有明确的定义,所以打前锋的,一般来说都是OEM业者居多,但规格确定之后,这也意味着系统所需要的晶片也能一并确认,长期来看,要将晶片加以整合,或是采用SiP(系统级封装)的作法来缩小系统体积,这都不是问题。届时,半导体业者就会采取行动,透过大量量产的作法来满足市场需求。

    他特别提醒,开发高度整合的SoC本身没有问题,但市场没有需求,就没有意义可言。他也说,即便是半导体大厂TI(德州仪器),其旗下的产品也不是每颗产品都是高度整合,这表示了市场的需求就是处在一个不明确的状态。

    结论

    半导体技术的演进,使得数位与类比元件开始进入整合的时代,但相对的,晶片整合虽然能减少整体系统成本与面积,但就性能表现能否满足较为特殊的系统应用,这就有待商榷了。可以确定的是,短期内要看到类比晶片乃至于数位晶片的高度整合,还是得看终端应用的市场与需求而定,在不明朗的情况下,开,适当的独立型元件还是有其发挥的空间,当然,若能适当地加以整合,也有助于系统成本与面积的降低,最终还是得看系统整合业者们的需求而定。

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