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類比元件整不整合 得看終端應用
獨立元件有彈性 整合有成本優勢

【作者: 姚嘉洋】   2014年11月11日 星期二

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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,半導體製程的不斷演進讓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。


至於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鍾表示,產業界並沒有標準答案,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裡。


整合省成本 但也有其他問題待解

簡百鍾進一步指出,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台等應用,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,台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;PGA)加以整合,MCU本身則可以將ADC、MCU與BLE(藍牙低功耗)結合,這可以說是在系統整合層面上,最為乾淨的電路設計了。



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)
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)

但簡百鍾也提醒,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,簡百鍾則是指出,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、客製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獨立於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,由於性能要求,就會需要獨立型的ADC與DAC,對於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,但現在大多都改採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/)
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

簡百鍾提到,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,溫度過高對於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,對於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,其面積佔比就會大一些,但在類比前端電路整合晶片上,其電阻與電容就會採用外掛式的設計。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,所以採取獨立設計,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)
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,但規格確定之後,這也意味著系統所需要的晶片也能一併確認,長期來看,要將晶片加以整合,或是採用SiP(系統級封裝)的作法來縮小系統體積,這都不是問題。屆時,半導體業者就會採取行動,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於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,也有助於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。


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