模拟电子元件整不整合，到底谁说了算？

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？

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，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，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，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。