更高集成度：通常是个好主意，但有时并非如此
作者：Bill Schweber
过去几十年，我们对 IC 技术一直有这样一种认识，即朝着更高级别的功能集成度方向发展，这对全数字和混合信号应用而言是一件好事。由于新元器件集成了更多的信号链，因此优势更多，例如整体设计更简单、互连器件更少、可靠性更高、板空间占用更少、元器件之间的不兼容风险消除、功率耗散更低、系统级性能获得保障、规格书更加全面，当然成本也就更低了。
但是，集成这件事也并非完全一边倒。相同的供应商在单一 IC 中提供高度集成功能的同时，也会推出性能高但功能极少的 IC，如用作基本构件的运算放大器。
在某种程度上，这两方面相互矛盾。毕竟，如果能通过使用更高集成度的器件而“拥有全部”或者至少“拥有更多”功能，为什么要选择单一功能运算放大器呢？答案很复杂，这取决于元器件的规格、相互之间的相对平衡、应用、优先考虑事项，以及最重要的是，相关的权衡和取舍。
尽管存在限制，但仍要进行权衡以满足目标，这是工程设计和专业知识的核心。在评估集成度更高器件的吸引力时，必须相比能用于构建完整系统的高度优化单一功能构件，就关键参数存在的任何性能欠缺进行权衡。我们将使用 Analog Devices 的两种非常不同的元器件作为示例进行说明。
Analog Devices 的 AD5490 电化学前端
下面将讨论 Analog Devices 最近推出的一种用于恒电位、电流和电压测量的完整电化学前端 AD5490，这些测量是电化学和生物实验的标准要求（图 1）。
图 1：Analog Devices 的 AD5490 是一种电化学和生物实验的完整电化学前端。（图片来源：Analog Devices）
这款 IC 旨在测量从 50 pA（或 10-12 A）至 3 mA（或 10-3 A）宽广范围内的传感器输出。这种跨度在生物阻抗应用中很常见，如评估皮肤和身体阻抗、连续血糖监测以及电池阻抗测试（图 2）。对于 AD5490，根据所选的输入通道，典型输入偏置电流为 20 或 80 pA。
图 2：AD5490 针对生化和人体测量进行了优化，例如这种高频四线生物阻抗回路。（图片来源：Analog Devices）
这是一种精密的复杂 IC，其规格书多达 133 页。若尝试用分立元器件复制其电路，则将是一项重大任务。除了极低的输入偏置电流外，该 IC 还包括模数转换器 (ADC)、数模转换器 (DAC)、电压基准、开关矩阵等。
鉴于所有这些功能，设计人员为什么不选它呢？毕竟，如果产品能够实现项目目标，那么在手头已经有不会带来麻烦和挑战的现成电路情况下，还要尝试构建一个类似的电路，这将是愚蠢且不负责任的行为。
Analog Devices 的 ADA4530-1 运算放大器
然而，一些应用的推动主要是由于需要甚至更低的输入偏置电流，例如最高性能的静电计和光学传感器。Analog Devices 深知“没有一种尺寸适合各种应用”，因此最近还推出了 ADA4530-1 产品，这是一款毫微微安（fA 或 10−15 A）输入偏置电流的运算放大器。此外，该产品还包括一个集成防护缓冲器，可防止可能导致意外电流的杂散电位差（图 3）。
图 3：ADA4530-1 运算放大器具有毫微微安级的输入偏置电流，并带有集成的防护缓冲器连接 (GRD)，其作用是防止可能导致意外电流的杂散电位差。（图片来源：Analog Devices）
即使这种功能简单的器件也有很多细微差别，详见其 52 页的规格书。输入偏置电流比 AD5490 前端 IC 小三个数量级，低温度系数高达 60⁰C 左右（图 4）。这两种规格都非常出色，适合用于需要这些细小但关键属性的目标应用。
图 4：ADA4530-1 的输入偏置电流-温度图显示，在高达 55 至 60⁰C 时保持在 0.1 fA 左右或以下，因此为系统性能带来稳定性且误差最小。（图片来源：Analog Devices）
由于重点关注的一个参数是极低的偏置电流，因此可用于针对该属性优化的设计、工艺和制造流程，但可能不太适合其他相关功能，如 ADC、DAC 或电压参考。
结语
一般而言，这种向更高集成度不断发展的趋势对于供应商和设计人员来说都是好事。然而，也有的低级别构件针对特定属性进行了优化，仍占有一席之地，如 ADA5430-1。当首选从 DC 至 RF 的灵敏低噪声模拟电路，并且项目也需要混合模拟/数字或者甚至全数字功能（如各种类型的处理器和内存）时，尤其如此。
如果要决定是选择集成度更高的产品还是由分立元器件构建自己的产品，最好是查看相关供应商的最新产品发布，因为选择更新太快。尽管如此，有时一个很普通的、功能单一、高度优化的无折中器件对于整体设计的成功至关重要。
虽然许多人显然会从 ADA5430-1 中受益，但他们也必须自己构建相关的电路。这是一种权衡，他们必须仔细考量，然后决定相关的挑战和获得的益处是否值得。尽管如此，应用要求和竞争压力可能仍会左右他们的决定。
