從穿戴式醫(yī)療 看模擬元件的整合與獨(dú)立

談到系統(tǒng)層級的設(shè)計(jì)，不外乎類比與混合訊號電路，再加上數(shù)位訊號處理與控制的流程，少了哪一個環(huán)結(jié)，系統(tǒng)都無法運(yùn)作。而在類比前端電路的設(shè)計(jì)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(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)。

但就目前來看，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(dú)立于MCU之外來進(jìn)行設(shè)計(jì)會是較為理想的作法。

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(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，這可以說是在系統(tǒng)整合層面上，最為干凈的電路設(shè)計(jì)了。

當(dāng)然，更進(jìn)一步地從實(shí)務(wù)層面來探討，還是有些元件加以獨(dú)立，對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)會較為有利。李仁貴表示，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(jì)，它不僅要被獨(dú)立出來，同時(shí)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)。李仁貴也指出，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(jì)。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(dú)立設(shè)計(jì)，也是相對較佳的作法。

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。他特別提醒，開發(fā)高度整合的SoC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)。