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更高整合度：通常是好主意，但有時並非如此

作者： Bill Schweber 2021-12-28

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近幾十年來，我們對 IC 技術有相同的共識，就是邁向更高等級的功能性整合，對全數位化與混合式訊號的應用而言十分有利。新推出的元件整合了更多訊號鏈，也因此享有更多優點，例如整體設計更加簡單、互連更少、可靠性更高、佔用的電路板空間更小、元件間不相容性的風險消除、功率耗散更低、系統層級效能獲得保障、規格書更加完備，當然還有成本下降。

但是，這種整合並非完全只是單向發展。相同廠商在單一 IC 中提供高等級整合的同時，也會推出高效能但最少功能的 IC，例如當作基本建構模塊的運算放大器。

從某些方面來看，這兩個發展方向是相互矛盾的。畢竟，若能透過更高整合度的元件而「擁有全部功能」或至少「擁有更多功能」，為什麼還要選擇單一功能的運算放大器呢？要回答這個問題很複雜，因為取決的因素相當多，其中包括元件的規格、彼此之間的相對平衡、應用、優先考量，還有最重要的，就是相關的取捨和折衷考量。

儘管有所限制，但為了達成目標而進行適當的權衡，仍舊是工程設計和專業技術的核心做法。相較於可用來打造完整系統的高度最佳化且單一功能的建構模塊，在思考更高整合度元件是否具備吸引力時，必須在關鍵參數上的效能，權衡其是否有任何缺點。我們將使用 Analog Devices 兩種迥異的元件，作為範例進行說明。

Analog Devices 的 AD5490 電化學前端元件

以 Analog Devices 近期推出的 AD5490 為例，此完整的電化學前端元件，可用於恆電位、電流和電壓量測，這些都是電化學和生物實驗的標準要求 (圖 1)。

圖 1：Analog Devices 的 AD5490 是用於電化學和生物實驗的完整電化學前端元件。(圖片來源：Analog Devices)

此 IC 可在 50 pA (即 10-¹² A) 至 3 mA (即 10^-3 A) 的寬廣範圍內測量感測器輸出。此數值範圍常見於生物阻抗應用，例如評估皮膚和身體的阻抗、連續血糖監測，以及電池阻抗測試 (圖 2)。對於 AD5490，典型的輸入偏壓電流為 20 或 80 pA，視所選的輸入通道而定。

圖 2：AD5490 已針對生物化學和人體量測進行最佳化，例如此例的高頻四線生物阻抗迴路。(圖片來源：Analog Devices)

這是一款精密複雜的 IC，其規格書有 133 頁，足以證明其複雜性。若嘗試使用離散元件來複製其電路，勢必工程浩大。除了極低的輸入偏壓電流外，此 IC 還包括類比數位轉換器 (ADC)、數位類比轉換器 (DAC)、參考電壓、切換矩陣等等。

既然有這些所有功能，設計人員為什麼不選用這款產品？畢竟，如果產品能夠達成專案目標，那麼在知道已有現成電路下，還要堅持自行打造類似的電路，最後遭遇不必要的困擾和難題，這實在是愚蠢且幾近不負責任的做法。

Analog Devices 的 ADA4530-1 運算放大器

然而，某些應用的推動因素主要是需要盡量更低的輸入偏壓電流，例如最高效能的靜電計和光學感測器。Analog Devices 瞭解世上並無「一體適用」的產品，因此最近推出 ADA4530-1 產品，是輸入偏壓電流在 fA 位準 (即 10^{至 15} A) 的運算放大器。此產品更含有整合式防護緩衝器，可避免產生雜散電位差，以免導致不必要的電流流動 (圖 3)。

圖 3：ADA4530-1 運算放大器具有 fA 位準的輸入偏壓電流，同時含有整合式防護緩衝連接 (GRD)，可當作屏障，避免產生雜散電位差，以免導致不必要的電流流動。(圖片來源：Analog Devices)

即使是此裝置功能簡易，但也有許多細微的差異，可從 52 頁的規格書內容加以證明。輸入偏壓電流比 AD5490 前端 IC 低三個數量級，其低溫係數約達 60°C (圖 4)。這兩種規格都非常出色，能在目標應用中滿足這種微妙但關鍵的特性要求。

圖 4：根據 ADA4530-1 的輸入偏壓電流與溫度關係圖，在高達 55 至 60°C 的範圍內，輸入偏壓電流仍然小於或接近 0.1 fA，因此可提供穩定的系統效能並將誤差最小化。(圖片來源：Analog Devices)

在所有參數中，最注重的就是極低的偏壓電流，因此可用於專為此屬性進行最佳化的設計、製程和製造流程中，但對於 ADC、DAC 或參考電壓等其他相關功能，可能就不太適用。

結論

一般而言，不斷進一步整合的趨勢，已經成為廠商與設計人員的致勝關鍵。但在某些情況下 (例如 ADA5430-1)，採用針對特定屬性進行最佳化的個別低整合度模塊，仍有其必要性。若優先考量 DC 至 RF 的低雜訊且靈敏的類比電路，而且專案還需要混合式類比／數位功能，甚至全數位功能時，例如各種類型的處理器和記憶體，此必要性更加明顯。

如果您還在猶豫要購買整合度更高的產品，還是以離散元件打造專屬產品，最好查看一下相關廠商最新推出的產品，因為產品選項的演變相當快。然而，有時普通、單一功能、高度最佳化且無法取代的裝置，對整體設計的成功至關重要。

雖然許多人可明確從 ADA5430-1 獲益，但仍要自行打造相關的電路。這是必須詳加考量的取捨，然後再決定其優點是否值得當中涉及的挑戰。儘管如此，應用要求和競爭壓力仍可能左右他們的決定。