對一些剛?cè)胄械墓こ處焷碚f或是電子電機(jī)的學(xué)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(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(shù)立訊號轉(zhuǎn)換器）、DAC（數(shù)位類比訊號轉(zhuǎn)換器）或是放大器元件等，都相當(dāng)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(dǎo)體）資深應(yīng)用工程師簡百鐘表示，產(chǎn)業(yè)界并沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，充其量只能依照不同應(yīng)用來提供對應(yīng)的解決方案，舉例來說，我們時?？梢钥吹?0位元或是12位元的ADC被整合進(jìn)MCU中，甚至是到了一個相當(dāng)泛濫的程度，但ADI旗下也有24位元的ADC被整合進(jìn)數(shù)位產(chǎn)品線里。

　　

　　

簡百鐘進(jìn)一步指出，高度整合的元件的確有其成本上的優(yōu)勢，但也失去了設(shè)計彈性，舉例來說，光通訊應(yīng)用只要用MCU內(nèi)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(yīng)用，考量到性能需求，獨立型的訊號轉(zhuǎn)換元件就會派上用場。

　　

在類比前端電路的設(shè)計上，臺北科技大學(xué)電子工程系李仁貴教授便談到，以穿戴式裝置為例，大家都會希望MCU（微控制器）能朝向SoC（系統(tǒng)單晶片）的方向邁進(jìn)，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(wù)上能節(jié)省更多工作負(fù)擔(dān)。

　　

不過，李仁貴進(jìn)一步談到，普遍來看，就穿戴式醫(yī)療電子的設(shè)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(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，這可以說是在系統(tǒng)整合層面上，最為干凈的電路設(shè)計了。

圖一 : 考量到資料傳輸?shù)氖褂们榫?，整合無線傳輸功能的MCU已是相當(dāng)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(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，但實際表現(xiàn)卻僅有8或9位元的性能，這就表示規(guī)格與實際的表現(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，簡百鐘則是指出，還是得看市場需求而定，像是通訊與工業(yè)應(yīng)用就會有很大的不同，即便是工業(yè)應(yīng)用，還是可以細(xì)分成不同的次領(lǐng)域，廣泛來看，從系統(tǒng)成本、客制化再到訊號放大的倍率的不同，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，恐怕還是無法一網(wǎng)打盡。

　　

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(yīng)用上，像是10位元或是12位元的ADC（類比數(shù)位訊號轉(zhuǎn)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(jìn)行設(shè)計會是較為理想的作法。

　　

美信（Maxim Integrated）中小客戶市場產(chǎn)品線行銷總監(jiān)李益明也指出，這些獨立的訊號轉(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（訊號雜訊比）、INL、取樣速率、驅(qū)動能力、crosstalk等，在一些要求比較高的場合，比如醫(yī)療影像與高性能儀器等，它們對速度或者精準(zhǔn)度或者兩者都有要求的情況下，就只能依靠獨立的訊號轉(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，就會需要獨立型的ADC與DAC，對于前述所提到的性能表現(xiàn)都會有一定要求。像是影像設(shè)備，過去大多都是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。

　　

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(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(tǒng)設(shè)計就能擁有相當(dāng)高度設(shè)計彈性，工程師能依照系統(tǒng)需求選擇不同的ADC，而不用更動其他設(shè)計。

　　

李仁貴補(bǔ)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(tǒng)設(shè)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(fēng)這類元件搭配，為的就是希望在訊號源可以有更高的品質(zhì)。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(shè)計。當(dāng)然，如果濾波器本身可以動態(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，濾波器就能進(jìn)行調(diào)整，所以采取獨立設(shè)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(zhǔn)度的系統(tǒng)設(shè)計。（Source：ADI）

　　

　　

而李仁貴也提醒，穿戴式醫(yī)療的系統(tǒng)設(shè)計，在短期內(nèi)可能在規(guī)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(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)，長期來看，要將晶片加以整合，或是采用SiP（系統(tǒng)級封裝）的作法來縮小系統(tǒng)體積，這都不是問題。屆時，半導(dǎo)體業(yè)者就會采取行動，透過大量量產(chǎn)的作法來滿足市場需求。

　　

他特別提醒，開發(fā)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(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，這表示了市場的需求就是處在一個不明確的狀態(tài)。

　　

　　

半導(dǎo)體技術(shù)的演進(jìn)，使得數(shù)位與類比元件開始進(jìn)入整合的時代，但相對的，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?？梢源_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)用的市場與需求而定，在不明朗的情況下，開，適當(dāng)?shù)莫毩⑿驮€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。