1ADC/DAC芯片是什么

ADC(Analogtodigitalconverter)和DAC(Digitaltoanalogconverter)是模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其信號鏈芯片。ADC主要作用是將真實世界產(chǎn)生的如溫度、壓力、聲音、指紋或者圖像等模擬信號轉(zhuǎn)換成更容易處理的數(shù)字形式。DAC的作用則與ADC相反，它將數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號;從應(yīng)用需求來看，ADC總需求更高，占比接近80%。ADC和DAC是真實世界與數(shù)字世界的橋梁，屬于模擬芯片中難度最高的一部分，被稱為模擬電路皇冠上的掌上明珠。

進入AIoT和5G的時代，因為與物理世界交互需求的增加，ADC作為信號鏈核心的地位還在穩(wěn)步提升。并且，在將近40年的發(fā)展歷程中，ADC芯片的重要性從未被動搖過。

如今為了滿足高速移動設(shè)備不斷增長的需求，科技巨頭每年都會推出速度更快，功能更強大的設(shè)備，同時為其打造更強大的續(xù)航能力。蘋果、三星等企業(yè)之所以能奇跡般的完成這一目標，重點就在于全世界各地的工程師和研究人員正在設(shè)計越來越節(jié)能的高速傳輸芯片。

近日，來自楊百翰大學(xué)的研究團隊研究出了世界上最節(jié)能的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC)。ADC是Analog－to－Digital Converter的縮寫，也就是模／數(shù)轉(zhuǎn)換器或者模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器。是指將連續(xù)變量的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號的器件，就是一個取樣、量化、編碼的一個過程。

楊百翰大學(xué)的研究團隊于2021年2月將這一成果發(fā)表在《IEEE固態(tài)電路》雜志上。資料顯示，這項研究耗時4年（3年設(shè)計芯片，1年測試芯片），來自國立陽明交通大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校的研究者共同參與了本次研究。

楊百翰大學(xué)教授Wood Chiang、博士生Eric Swindlehurst以及其他成員共同參與研究，他們研發(fā)出了在10GHz的超寬帶無線通信中僅消耗21毫瓦功率的ADC芯片。相比之下，當(dāng)前ADC每10GHz需要消耗數(shù)百毫瓦或瓦級別的功率。這一研究也創(chuàng)下了世界上ADC的最高能效紀錄。

“全球許多研究小組都專注于ADC；就像是誰能夠制造出世界上最快，最省油的汽車的競賽，”Wood Chiang教授表示，“要擊敗世界各地的其他人非常困難，但我們做到了這一點。”

通信系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)越來越高的帶寬，意味著電路要消耗更高的功率。研究人員是如何著手解決這個問題的呢？他們從ADC電路的關(guān)鍵部分DAC（ADC的完全相反的核心部分：數(shù)模轉(zhuǎn)換器）出發(fā)。他們通過調(diào)整電容器平行板的面積和間距來減少DAC的負載，使得轉(zhuǎn)換器更快、更高效。

此外，研究者采用與傳統(tǒng)方式不同的方式對單元電容進行分組，將屬于DAC中同一比特位的單元電容分在一組，而不是將它們貫穿在一起。這一方法使得底板的寄生電容降低到三分之一，從而大大降低功耗且提高了速度。

ADC設(shè)計與時序圖

通過自舉開關(guān)使其成為雙路徑后，可以對每個路徑進行獨立優(yōu)化。這種方案不僅可以提高速度，還可以節(jié)省成本，不需要額外的硬件，因為它拆分了現(xiàn)有設(shè)備并更改電路中的路由。實驗表明，該ADC采用28nm CMOS 工藝，在 Nyquist上工作時獲得了36．9 dB 的 SNDR，功率為21毫瓦，F(xiàn)oM 為37fj／conv－step，刷新了世界上的最低功耗紀錄。

Wood Chiang認為，這項工作推動了一切的發(fā)展，將為消費者帶來很多便利。比如Wi－Fi將擁有更快的上載和下載速度，哪怕是觀看4K或即使是8K也基本沒有滯后，同時還能保持電池壽命。ADC的其他應(yīng)用還包括自動駕駛汽車（使用大量無線帶寬），眼鏡或智能隱形眼鏡之類的智能可穿戴設(shè)備，甚至是可植入設(shè)備之類的東西。

此外，Wood Chiang還表示，“該設(shè)備需要復(fù)雜的設(shè)計和驗證，以確保轉(zhuǎn)換器中的所有數(shù)千個連接都能正常工作。這就像建造一個小城市。這個項目有很多細節(jié)。設(shè)計中的一個錯誤至少要花一年的時間才能糾正，因此團隊很高興沒有犯任何錯誤。”

2 ADC芯片性能

ADC芯片的性能大致分為4個方向：高精度高速率、高精度低速率、低精度高速率、低精度高低速率。

3 ADC芯片架構(gòu)

ADC芯片的速度和精度指標是相互折中的。對應(yīng)于不同的應(yīng)用場景，ADC芯片有著不同的設(shè)計架構(gòu)。以下是5個常見架構(gòu)：

(1)SAR逐次逼近型：主要應(yīng)用于中速率或較低速率、中等精度的數(shù)據(jù)采集和智能儀器中。具有最寬的采樣速率，雖然它不是最快的，但低成本和低功耗使其很受歡迎。SARADC同時也可以達到16bit的精度。

(2)FLASH&Half-FLASH：并行結(jié)構(gòu)使其采樣速率可達10Gsps以上，但是由于非線性使其分辨率限制在8bit以內(nèi)，可用于示波器等產(chǎn)品。

(3)∑-Δ型：主要應(yīng)用于高精度數(shù)據(jù)采集，特別是傳感器、數(shù)字音響系統(tǒng)、多媒體、地震勘探儀器、聲納等電子測量領(lǐng)域，采集精度可達24bit。

(4)Pipelined流水線型：主要應(yīng)用于高速情況下的瞬態(tài)信號處理、快速波形存儲與記錄、高速數(shù)據(jù)采集、視頻信號量化及高速數(shù)字通訊技術(shù)等領(lǐng)域，當(dāng)前設(shè)計速度可以達到Gsps。它們非常適合例如無線收發(fā)器應(yīng)用和軍用等高性能要求的應(yīng)用。

(5)Folding：采用折疊型等結(jié)構(gòu)的高速ADC，可以實現(xiàn)比FLASH稍高的精度和差不多的速率，可應(yīng)用于廣播衛(wèi)星中的基帶解調(diào)等方面。

其中ADC在總需求中占比接近80％。ADC／DAC是整個模擬芯片皇冠上的明珠，核心難度有兩點：抽樣頻率和采樣精度難以兼得（高速高精度ADC壁壘最高）以及需要整個制造和研發(fā)環(huán)節(jié)的精密配合。

ADC關(guān)鍵指標包括“轉(zhuǎn)換速率”和“轉(zhuǎn)換精度”，其中高速高精度ADC壁壘最高。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器主要看兩個基本指標，轉(zhuǎn)換速率和轉(zhuǎn)換精度。

轉(zhuǎn)換速率通常用單位sps（Samples per Second）即每秒采樣次數(shù)來表示，比如1Msps、1Gsps對應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器每秒采樣次數(shù)分別是100萬次、10億次；轉(zhuǎn)換精度通常用分辨率（位）表示，分辨率越高表明轉(zhuǎn)換出來的數(shù)字／模擬信號與原來的信號之間的差距越小。高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器需具備高速率或高精度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的速率和精度指標往往是相互制約、此消彼長的關(guān)系，例如亞德諾目前最快的商用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率為26Gsps，但其分辨率僅為3位，而具有24位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率僅為26Msps。

進口廠商主導(dǎo)的行業(yè)現(xiàn)狀

ADC芯片的產(chǎn)業(yè)鏈和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一樣，其產(chǎn)業(yè)鏈龐大而復(fù)雜，可以分為：上游支撐產(chǎn)業(yè)鏈，包括半導(dǎo)體設(shè)備、材料、生產(chǎn)環(huán)境；中游核心產(chǎn)業(yè)鏈，包括 IC 設(shè)計、 IC 制造、 IC 封裝測試；下游需求產(chǎn)業(yè)鏈，覆蓋工業(yè)、通信、消費電子、航空、國防及醫(yī)療等。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，2019年全球轉(zhuǎn)換器市場規(guī)模接近36億美元，預(yù)計未來4年CAGR近10％。隨著5G基站、IoT等驅(qū)動ADC需求落地，預(yù)計2023年全球轉(zhuǎn)換器芯片市場空間有望擴張至近50億美元。

從格局分布來看，全球模擬芯片行業(yè)格局相對分散，美歐大廠處于領(lǐng)跑地位。由于模擬芯片具有品類豐富、產(chǎn)品系列深等特點，各細分產(chǎn)品規(guī)模小、市場間跨度大，因此全球市場整體呈現(xiàn)分散的格局，頭部廠商難以取得壟斷優(yōu)勢。最為知名的廠商包括ADI、TI、Maxim、Microchip、NXP、Xilinx、STMicroelectronics等等。具體來看，歐美廠商由于起步早，憑借資金、技術(shù)、客戶資源、品牌等方面的積累，目前在全球范圍內(nèi)仍處于領(lǐng)跑地位。

國內(nèi)ADC產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍處在追趕狀態(tài)。1996年，以西方為主的33 個國家在奧地利維也納簽署了《瓦森納協(xié)定》，規(guī)定了高科技產(chǎn)品和技術(shù)的出口范圍和國家，其中高端ADC 屬于出口管制的產(chǎn)品，中國也屬于受限制的國家之一，禁運范圍主要是精度超過8 位且速度超過10Msps的ADC。

2019年華為被納入實體名單后，TI、ADI等美國模擬IC大廠向華為供貨受限，進一步加速國內(nèi)模擬芯片領(lǐng)域的國產(chǎn)替代節(jié)奏。聚焦ADC領(lǐng)域，全球主要供應(yīng)商仍是TI、ADI為首的幾家國際大廠，而高性能ADC在軍用領(lǐng)域、高端醫(yī)療器械以及精密測量等領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用，因此ADC技術(shù)的國產(chǎn)替代對于我國各下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大。自華為事件以后，國內(nèi)的設(shè)備廠家逐漸開始采購國產(chǎn)ADC芯片。

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