MCU:集成多少模擬才足夠?

MCU外圍電路在迅速膨脹

MCU正集成越來越多的模擬和混合信號，有些MCu公司干脆稱之為SoC。那么這是否意味著未來MCU不再是創新的中心?

Silicon Labs公司Mike分析認為，2011年及以后，新一代MCU設計將提供更高級的混合信號集成技術，實現超低功耗處理、無線連接和智能感應。隨著便攜式和電池供電應用的增長，具有省電技術(例如片上DC-DC轉換器和低壓差LDo穩壓器)的MCU將成為廣受歡迎的解決方案。2011年，集成嵌入式無線收發器的高集成度MCU，或稱為“Wireless MCU(無線MCU)”也將在應用(例如家居自動化、安全系統、智能儀表和能量收集系統)中不斷增長。今后我們也將看到集成多種類型感應器(諸如電容式觸摸感應器、紅外線和環境光感應器，以及環境感應器)的MCU。具有成本效益、片上集成無線連接和感應能力的超低功耗、小封裝MCU將在各種嵌入式應用中(例如無線感應網絡)大量應用。

因此，我們認為模擬／混合信號功能將繼續保持較高需求，因為最具競爭力的應用通常需要高精確度和準確度。僅有少數公司具有混合信號設計經驗，從而可以在不影響性能的基礎上進行單芯片集成。這些公司將繼續從高難度復雜混合信號設計的迅速擴張中受益。

普芯達趙依軍也認為集成更多的數模混合信號是嵌入式系統發展的必由之路，“MCU將會集成更多更復雜的模擬功能和處理模塊，構成一個真正意義上的soc，它將使嵌入式系統的開發理念發生深刻的變化。”但這并不意味著Mcu會脫離數字核心，相反，這一變化會促進數字部分性能的提升以滿足越來越高的處理要求。目前，普芯達不僅會設計集成了模擬和混合信號的MCU，還會在以前屬于純粹模擬電路的一些應用中開發智能化的芯片。

飛思卡爾的曾勁濤指出，模擬功能將成為MCU產品的一個差異化優勢。分立模擬器件在大多數情況下仍然具有性能優勢。但是。隨著MCU集成模擬的功能不斷增強，分立模擬器件的優勢正在逐漸減弱。例如：飛思卡爾FlexisMM系列專門為醫療設備設計。集成高精度的16位ADc、DAC、運放等高精度模擬單元進一步降低系統成本，加快開發進程。

ADI公司稱近期推出的BFS06F處理器集成了高性能DSP和高性能AD轉換器，在400MHz主頻的前提下，性能達到11.Tbit ENOB(有效位數)。

TI公司一直是積極推進MCU中增加模擬／混合信號的企業。今年1月發布的低成本浮點Piccolo MCU——TMS320F2866x，可以單獨來實現PLC(電力線通信)。使低能耗電機控制與可再生能源應用的開發人員可采用單個F2806x MCU通過低成本方式執行控制環路、電力線通信(PLC)協議以及調制方案。

MCU集成模擬的利弊分析

最大的嵌入式芯片Mcu企業——瑞薩電子對MCu集成模擬十分慎重，去年10月才宣布在MCU研發中增加模擬／混合信號功能。瑞薩電子的邱榮豐指出，開發模擬功能的芯片不容易，因為從工藝考慮的話，模擬功能用的技術工藝是很高的，所以整個芯片會變得很大，這樣會影響到成本。

上海普芯達的趙依軍也認為，集成模擬帶來了開發難度。由于模擬和數字開發工作集中在同一顆芯片上，芯片和應用設計難度都有所增加。尤其是在模數雙方的相互抗千擾處理上，工程師們將面臨較大的挑戰。

市場調查公司Gartner半導體和電子研究總監Adib Ghubril對Mcu中集成模擬的觀點也是謹慎的。Adib分析道，小型化可以提高系統的可靠性(主板上的芯片數量更少)、使體積更小(從而提高可用性和靈活性)，并能使人們獲得更高的收益。但是，與其具有相似功能的純粹的數字MCU相比，混合信號MCU存在性能降低的問題，一盡管目前人們尚未弄清兩者之間在系統級(即主板級)上存在何種差異。而且，相比于模擬和數字電路分別按照各自獨立的技術路線圖發展、數模集成會增加晶圓片級的風險：承擔這些風險必須能夠有利于給我們帶來回報。通常，雖然我們期望Freescale以及Kenesas(瑞薩)等領軍企業能夠推出體積更小的器件：但是，Gartner發現許多公司缺乏必要的資金去實施此類集成路線圖。

許多公司使用混合信號MCU這種術語去描述具有板上比較器(on-board comparators)或模數／數模轉換器的芯片；雖然這一術語也許是正確的，但它還是存在一些誤導，“因為在我的頭腦中，混合信號技術綜合了類似電壓基準／調節器、傳感器甚至功率放大器等東西，并最終將會包含功率放大器。”但另一方面，“特殊應用”MCU的趨勢一般受到嵌入界股東的支持，同時，在芯片制造商中能夠更為清晰地看到這種趨勢。

分立模擬器件的機會

而分立模擬器件廠商對此的看法如何呢?Intersil公司Tamara Schmitz在《電子產品世界》20lO年12期《信號鏈的集成與去集成》中指出：“……但你為什么要選擇去集成呢?原因有很多。產品或應用可能比較新，還沒到有必要投資開發一個ASSP設計的地步。其次是沒有一點靈活性。萬一你想升級到更高階的濾波器，以補償一個新的強干擾?萬一你想嘗試一個新的轉換器配置?萬一你必須快速建立一個原型產品?萬一小的設計改動能讓你的系統設計更加靈活，并且能容納更多的應用和更多的客戶?我個人特別喜歡的情況是：萬一你希望得到更低的功耗呢?許多轉換器需要1.8V電源，而許多運算放大器可能需要3.3v或5v來達到系統所需的動態范圍／CMRK。分立方案的選擇更多，對應用的優化也更多。許多有經驗的系統設計者對電路布板和電源旁路十分精通，他們傾向于選用分立方案，這樣可以保留進一步選擇的便利。”

目前，分立模擬器件也在發展，集成度越來越高，越來越簡單易用，或者開發特殊的應用產品。例如，美國國家半導體公司(NS)今年1月推出了可配置傳感器模擬前端(AFE)芯片為例，LMP91000是可全面配置的低功耗恒電位儀，可在傳感器與ADC間提供一個高度集成的完整信號路徑，適用于微功耗的化學物質及氣體檢測應用。為了簡單易用，NS還提供了開發工具。據NS精密信號路徑產品部副總裁Tames Ashe介紹，NS在完成傳感器信號路徑設計的WEBENCH傳感器模擬前端電路設計工具(WEBENCH Sensor AFE Designer)上也進行了重要投資，使電路可調，來兼容多種技術規格，支持數百款溫度；壓力及化學傳感器。“像LM91000芯片的恒電位儀電壓和輸出增益都可根據設計要求自行設置，這令工程師可以探測更多的氣體種類，或者探測不同的氣體濃度，并確保設備的總系統功耗可低至10uA(平均值)。”

可見，MCU不會脫離數字設計的核心。在集成模擬／數模混合器件時，會對性能和制程帶來一些挑戰。在一些高性能或獨特應用場合，獨立的模擬器件仍舉足輕重。獨立的模擬器件的發展趨勢是集成度更高，精度更高，可編程性更強，并有自家的開發工具支持，簡單易用等。