現今，越來越多應用要求終端設備具備智慧感測能力。這種智慧類比組合的應用市場相當廣泛，包括建築自動化、工廠自動化與控制系統以及醫療衛生與健康等領域。對於新產品開發團隊而言，放棄原有設計而獨立開發一個新產品或新系統，勢必會加重企業的開發成本。因此，市場上出現新一代微控制器(MCU)，可快速、高效地應用於各項感測應用，例如照明、濕度、溫度、電力電流、一氧化碳等條件或參數的感測應用。
部份新型MCU還整合了鐵電隨機存取記憶體(FRAM)技術和超低功耗智慧類比組合(Smart Analog Combo, SAC)。智慧類比組合包括運算放大器(Op-Amp)和12位元數位類比轉換器(DAC)等可配置的類比訊號鏈元件。智慧類比組合可在統一、單個IP上，對輸入路徑如Op-Amp或可編程增益放大器(PGA)，以及輸出路徑(如12位元DAC)的訊號調節鏈進行靈活配置。
智慧類比組合優勢
智慧類比組合能夠為感測與量測市場提供可配置的訊號調節(Signal-conditioning)，使用者可以依據內部IP和外部電壓情況靈活配置運算放大器，PGA訊號放大器或12位元DAC。
靈活性
1. 輸入與輸出路徑的可配置性
2. 適用於類比訊號調節電路
3. 可編程的配置
4. 所有層級均保有一致的使用者介面
經濟實惠
1. 最佳化物料清單成本
2. 極少甚至無需其他外部零組件
3. 更小的印刷電路板(PCB)尺寸
智慧類比組合應用
智慧類比組合的應用領域十分廣泛，特別在建築自動化、工廠自動化與控制系統以及醫療衛生與健康等三個領域極為突出。其他特殊應用包括煙霧探測、氣體檢測、電流迴路傳送、血糖機(BGM)或血氧測量儀、小封裝可插拔(SFP)模組和音訊系統。
煙霧探測
煙霧探測包含兩種方法，一種是交流測量，一種是直流測量。交流量測，在常用的電壓訊號調節器進行數位類比轉換之前，運用一個直流阻隔器來測量光電二極體電流。(圖1)採用兩個智慧類比組合配置進行交流量測的煙霧探測器。
圖1 使用兩個智慧類比組合於煙霧探測器中進行交流量測的原理圖
直流量測是一個電流電壓轉換器，一般為低漏輸入轉阻放大器(TIA)進行數位類比轉換之前，透過可選的二級電壓訊號調節器來量測光電二極體電流。運用二極體或電晶體替換回饋電路，此應用可並聯一個對數放大器，並藉由壓縮較大的訊號輸出進而延展動態量測範圍。此智慧類比組合可以作為TIA與ADC和一對SAC進行內部連接，有利於節省更多GPIO。(圖2)是採用智慧類比組合配置進行直流量測的煙霧探測器。
圖2 使用智慧類比組合在煙霧探測器中進行直流量測的原理圖
氣體/PM2.5檢測器
電流電壓轉換器，通常是低漏輸入的TIA進行數位類比轉換之前，將透過一個可選擇的第二階段電壓訊號調節器來測量光電二極體內的電流。
此應用通常採用電池供電，而超低功率MCU和相關的類比模組使其節省了大量的電力耗損。氣體感測器更是如此，因為如果氣體濃度在一定時間內超過一定的上限，氣體感測器必須連續監測二氧化碳濃度並發出警報。對於需要連續訊號監測的應用而言，配有低功耗的智慧類比組合具備明顯優勢，如氣體檢測器(圖3)。
圖3 使用智慧類比組合於氣體檢測器上的原理圖
血糖機或血氧測量儀
電流電壓轉換器，通常是低漏感輸入的TIA進行數位類比轉換之前，將透過可選的第二階段電壓訊號調節器來量測試紙產生的電流。該應用採用兩個12位元DAC模組：一個用於測量試紙的電流，另一個用於產生音訊源(圖4)。
圖4 使用三個智慧類比組合的血糖機原理圖
電流迴路傳送器
12位元DAC載入正弦波查閱資料表，智慧類比組合則作為低通濾波器和電流電壓轉換器，以及外部雙極型電晶體(BJT)放大器(圖5)。
圖5 使用兩個智慧類比組合的電流迴路傳送器原理
小封裝可插拔光收發器
此應用至少採用三個DAC：兩個用於接收器和發送器的功率監控器，另一個用於傳輸模式配置。由於採用最小的PCB尺寸，整合的DAC讓編程變得更容易，最高可達12位元解析度(圖6)。
圖6 使用三個智慧類比組合的SFP光收發器基板原理圖
音訊應用
採用12位元DAC和帶通濾波器(Bandpass Filter)來驅動外部音訊放大器，即可達到10位元的有效位元數(Effective Number of Bits, ENOB)。針對多音訊需求的應用(如煙霧探測器)，12位元DAC的性價比最高(圖7)。
圖7 使用智慧類比組合的音訊應用原理圖
整合智慧類比組合的MCU系列可為整合訊號鏈元件提供靈活配置，並為工業系統減少物料成本(BOM)、縮小PCB尺寸。而提供多種配置選擇的MCU，則可滿足開發人員各式應用的需求。
(本文作者皆任職於德州儀器)