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模擬元件整不整合 得看終端應(yīng)用

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

  對(duì)一些剛?cè)胄械墓こ處焷?lái)說(shuō)或是電子電機(jī)的學(xué)生們來(lái)說(shuō),

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/265242.htm

  類比元件的獨(dú)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(dú)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(tǒng)應(yīng)用為何。

  我們都知道,半導(dǎo)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(xiàn)不斷提升,與此同時(shí)也會(huì)整合更多類比或混合訊號(hào),甚至是離散元件,但我們也知道,市場(chǎng)還是有許多獨(dú)立型的類比與混合訊號(hào)元件,像是ADC(類比數(shù)立訊號(hào)轉(zhuǎn)換器)、DAC(數(shù)位類比訊號(hào)轉(zhuǎn)換器)或是放大器元件等,都相當(dāng)常見(jiàn)。

  至于整合與獨(dú)立之間的差異要如何定義,(亞德諾半導(dǎo)體)資深應(yīng)用工程師簡(jiǎn)百鐘表示,產(chǎn)業(yè)界并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案,充其量只能依照不同應(yīng)用來(lái)提供對(duì)應(yīng)的解決方案,舉例來(lái)說(shuō),我們時(shí)常可以看到10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(dāng)泛濫的程度,但旗下也有24位元的ADC被整合進(jìn)數(shù)位產(chǎn)品線里。

  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(shì),但也失去了設(shè)計(jì)彈性,舉例來(lái)說(shuō),光通訊應(yīng)用只要用MCU內(nèi)建的ADC即可,但若是量測(cè)儀器類或是高階的無(wú)線通訊基地臺(tái)等應(yīng)用,考量到性能需求,獨(dú)立型的訊號(hào)轉(zhuǎn)換元件就會(huì)派上用場(chǎng)。

  在類比前端電路的設(shè)計(jì)上,臺(tái)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(tǒng)單晶片)的方向邁進(jìn),同時(shí)也希望滿足更為多元的需求,因?yàn)榫碗娐凡季侄?,晶片愈少,愈能省去更多的電路布局,?shí)務(wù)上能節(jié)省更多工作負(fù)擔(dān)。

  不過(guò),李仁貴進(jìn)一步談到,普遍來(lái)看,就穿戴式醫(yī)療電子的設(shè)計(jì)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(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(lán)牙低功耗)結(jié)合,這可以說(shuō)是在系統(tǒng)整合層面上,最為干凈的電路設(shè)計(jì)了。

  

 

  圖一 : 考量到資料傳輸?shù)氖褂们榫?,整合無(wú)線傳輸功能的MCU已是相當(dāng)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這類元件被整合進(jìn)MCU中,也要考量到ENOB(有效位元數(shù))的表現(xiàn),有些業(yè)者標(biāo)榜MCU內(nèi)建12位元的ADC,但實(shí)際表現(xiàn)卻僅有8或9位元的性能,這就表示規(guī)格與實(shí)際的表現(xiàn)有所落差,這是系統(tǒng)業(yè)者必須注意的地方。而在類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(yīng)用就會(huì)有很大的不同,即便是工業(yè)應(yīng)用,還是可以細(xì)分成不同的次領(lǐng)域,廣泛來(lái)看,從系統(tǒng)成本、客制化再到訊號(hào)放大的倍率的不同,在不同的應(yīng)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(zhǔn)度 獨(dú)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(cè)的應(yīng)用上,像是10位元或是12位元的ADC(類比數(shù)位訊號(hào)轉(zhuǎn)換器),大多都可以被整合在MCU中,但若是量測(cè)血氧,就必須動(dòng)用到24位元等級(jí)的ADC,在整合上還是有不少困難,所以將ADC獨(dú)立于MCU之外來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)會(huì)是較為理想的作法。

  美信(Maxim Integrated)中小客戶市場(chǎng)產(chǎn)品線行銷總監(jiān)李益明也指出,這些獨(dú)立的訊號(hào)轉(zhuǎn)換器元件,還是有很多特色與性能是整合MCU難以達(dá)到的,比如SNR(訊號(hào)雜訊比)、INL、取樣速率、驅(qū)動(dòng)能力、crosstalk等,在一些要求比較高的場(chǎng)合,比如醫(yī)療影像與高性能儀器等,它們對(duì)速度或者精準(zhǔn)度或者兩者都有要求的情況下,就只能依靠獨(dú)立的訊號(hào)轉(zhuǎn)換器才能完成。

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

  獨(dú)立型元件需具備彈性與相容特色

  簡(jiǎn)百鐘提到,獨(dú)立型的類比與混合訊號(hào)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(duì)于元件表現(xiàn)有著直接的負(fù)面影響,進(jìn)而讓整體系統(tǒng)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,對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)就能擁有相當(dāng)高度設(shè)計(jì)彈性,工程師能依照系統(tǒng)需求選擇不同的ADC,而不用更動(dòng)其他設(shè)計(jì)。

  李仁貴補(bǔ)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的系統(tǒng)設(shè)計(jì),它不僅要被獨(dú)立出來(lái),同時(shí)也必須跟影像感測(cè)器或是麥克風(fēng)這類元件搭配,為的就是希望在訊號(hào)源可以有更高的品質(zhì)。他也指出,生理訊號(hào)是一種很慢的訊號(hào)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(shè)計(jì)。當(dāng)然,如果濾波器本身可以動(dòng)態(tài)調(diào)整的話,因應(yīng)不同應(yīng)用,如腦波與血氧本身就有不同的波長(zhǎng),濾波器就能進(jìn)行調(diào)整,所以采取獨(dú)立設(shè)計(jì),是相對(duì)較佳的作法。

  

 

  圖三 : ADC的獨(dú)立,不外乎是因?yàn)樾枰咚倩蚴歉呔珳?zhǔn)度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。(Source:)

  規(guī)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(yī)療的系統(tǒng)設(shè)計(jì),在短期內(nèi)可能在規(guī)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(guī)格確定之后,這也意味著系統(tǒng)所需要的晶片也能一并確認(rèn),長(zhǎng)期來(lái)看,要將晶片加以整合,或是采用SiP(系統(tǒng)級(jí)封裝)的作法來(lái)縮小系統(tǒng)體積,這都不是問(wèn)題。屆時(shí),半導(dǎo)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(dǎo)體大廠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(jié)論

  半導(dǎo)體技術(shù)的演進(jìn),使得數(shù)位與類比元件開(kāi)始進(jìn)入整合的時(shí)代,但相對(duì)的,晶片整合雖然能減少整體系統(tǒng)成本與面積,但就性能表現(xiàn)能否滿足較為特殊的系統(tǒng)應(yīng)用,這就有待商榷了。可以確定的是,短期內(nèi)要看到類比晶片乃至于數(shù)位晶片的高度整合,還是得看終端應(yīng)用的市場(chǎng)與需求而定,在不明朗的情況下,開(kāi),適當(dāng)?shù)莫?dú)立型元件還是有其發(fā)揮的空間,當(dāng)然,若能適當(dāng)?shù)丶右哉?,也有助于系統(tǒng)成本與面積的降低,最終還是得看系統(tǒng)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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