ADC（Analog－to－Digital Converter,，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）被贊譽(yù)為芯片皇冠上的明珠,，進(jìn)入AIoT和5G的時(shí)代，因?yàn)榕c物理世界交互需求的增加,，ADC作為信號(hào)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(dòng)搖過,。

如今為了滿足高速移動(dòng)設(shè)備不斷增長(zhǎng)的需求，科技巨頭每年都會(huì)推出速度更快,，功能更強(qiáng)大的設(shè)備,，同時(shí)為其打造更強(qiáng)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(biāo),，重點(diǎn)就在于全世界各地的工程師和研究人員正在設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)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(jiǎn)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(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)的器件，就是一個(gè)取樣,、量化,、編碼的一個(gè)過程。

楊百翰大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)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(xiàng)研究耗時(shí)4年（3年設(shè)計(jì)芯片，1年測(cè)試芯片）,，來自國(guó)立陽(yáng)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(wú)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(jí)別的功率,。這一研究也創(chuàng)下了世界上ADC的最高能效紀(jì)錄。

“全球許多研究小組都專注于ADC,；就像是誰(shuí)能夠制造出世界上最快,，最省油的汽車的競(jìng)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(diǎn)?！?/p>

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(gè)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(fù)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(duì)單元電容進(jìn)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(jì)與時(shí)序圖

通過自舉開關(guān)使其成為雙路徑后，可以對(duì)每個(gè)路徑進(jìn)行獨(dú)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?yàn)樗鸱至爽F(xiàn)有設(shè)備并更改電路中的路由,。實(shí)驗(yàn)表明，該ADC采用28nm CMOS 工藝,，在 Nyquist上工作時(shí)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(jì)錄,。

Wood Chiang認(rèn)為，這項(xiàng)工作推動(dòng)了一切的發(fā)展,，將為消費(fèi)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(shí)還能保持電池壽命,。ADC的其他應(yīng)用還包括自動(dòng)駕駛汽車（使用大量無(wú)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(jì)和驗(yàn)證,，以確保轉(zhuǎn)換器中的所有數(shù)千個(gè)連接都能正常工作,。這就像建造一個(gè)小城市。這個(gè)項(xiàng)目有很多細(xì)節(jié),。設(shè)計(jì)中的一個(gè)錯(cuò)誤至少要花一年的時(shí)間才能糾正,，因此團(tuán)隊(duì)很高興沒有犯任何錯(cuò)誤?！?/p>

模擬芯片皇冠上的明珠,，ADC有哪些關(guān)鍵指標(biāo)？

眾所周知,，信號(hào)鏈芯片主要包括放大器,、數(shù)模轉(zhuǎn)換、接口等品類,，其中轉(zhuǎn)換器屬于其中技術(shù)壁壘最高細(xì)分品類,。轉(zhuǎn)換器是由模擬電磁波轉(zhuǎn)換成0101比特流最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，具體又可以分為ADC和DAC兩類,，ADC作用是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行高頻采樣,，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；DAC的作用是將數(shù)字信號(hào)調(diào)制成模擬信號(hào),。

其中ADC在總需求中占比接近80％,。ADC／DAC是整個(gè)模擬芯片皇冠上的明珠，核心難度有兩點(diǎn)：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(gè)制造和研發(fā)環(huán)節(jié)的精密配合,。

ADC關(guān)鍵指標(biāo)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(gè)基本指標(biāo),，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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器每秒采樣次數(shù)分別是100萬(wàn)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(hào)與原來的信號(hào)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。

（各種類型ADC的速度與精度關(guān)系    資料來源：芯力特官網(wǎng)）

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的速率和精度指標(biāo)往往是相互制約,、此消彼長(zhǎng)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,。

根據(jù)這兩大指標(biāo)，ADC可以分為高速高精度,、低速高精度,、高速低精度以及低速低精度四種類型,，其中高速高精度壁壘最高。

 國(guó)內(nèi)外ADC產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀：進(jìn)口廠商主導(dǎo)

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(jì)、 IC 制造,、 IC 封裝測(cè)試,；下游需求產(chǎn)業(yè)鏈，覆蓋工業(yè),、通信,、消費(fèi)電子、航空,、國(guó)防及醫(yī)療等,。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2019年全球轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)規(guī)模接近36億美元,，預(yù)計(jì)未來4年CAGR近10％,。隨著5G基站、IoT等驅(qū)動(dòng)ADC需求落地,，預(yù)計(jì)2023年全球轉(zhuǎn)換器芯片市場(chǎng)空間有望擴(kuò)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(duì)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(diǎn),，各細(xì)分產(chǎn)品規(guī)模小,、市場(chǎng)間跨度大，因此全球市場(chǎng)整體呈現(xiàn)分散的格局,，頭部廠商難以取得壟斷優(yōu)勢(shì),。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(guó)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(gè)國(guó)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(guó)家,，其中高端ADC 屬于出口管制的產(chǎn)品,，中國(guó)也屬于受限制的國(guó)家之一，禁運(yùn)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(shí)體名單后,，TI、ADI等美國(guó)模擬IC大廠向華為供貨受限,，進(jìn)一步加速國(guó)內(nèi)模擬芯片領(lǐng)域的國(guó)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(guó)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(cè)量等領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用,，因此ADC技術(shù)的國(guó)產(chǎn)替代對(duì)于我國(guó)各下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大,。自華為事件以后，國(guó)內(nèi)的設(shè)備廠家逐漸開始采購(gòu)國(guó)產(chǎn)ADC芯片,。

目前,，國(guó)內(nèi)比較成熟的ADC廠商有：

芯海科技

芯?？萍汲闪⒂?003年9月,，是一家集感知、計(jì)算,、控制于一體的全信號(hào)鏈芯片設(shè)計(jì)企業(yè),，專注于高精度ADC、高性能MCU,、測(cè)量算法以及物聯(lián)網(wǎng)一站式解決方案的研發(fā)設(shè)計(jì),。產(chǎn)品及方案廣泛應(yīng)用于智慧健康、壓力觸控、智慧家居感知,、工業(yè)測(cè)量,、通用微控制器等領(lǐng)域。

蘇州云芯微電子

蘇州云芯微電子創(chuàng)辦于2010年5月,，公司致力于高速高精度數(shù)?；旌霞呻娐沸酒ˋDC／DAC）和集成中射頻、模擬,、數(shù)字功能等集成芯片（SOC＆SIP）的設(shè)計(jì),、開發(fā)、生產(chǎn)及銷售,，并提供相關(guān)技術(shù)咨詢和技術(shù)服務(wù),，是工信部認(rèn)證集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)、江蘇省高新技術(shù)企業(yè),，擁有20多項(xiàng)發(fā)明專利和實(shí)用新型專利,，以及多項(xiàng)集成電路布圖設(shè)計(jì)登記和軟件著作權(quán)登記,。

蘇州迅芯微電子

蘇州迅芯微電子有限公司成立于2013年,，座落于蘇州工業(yè)園區(qū)，以集成電路及軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì),、研發(fā),、銷售為一體，并提供其技術(shù)咨詢及技術(shù)服務(wù),。團(tuán)隊(duì)成員在超高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（ADC／DAC）芯片,、高速串并／并串轉(zhuǎn)換（DEMUX／MUX）芯片，以及微波單片集成電路（MMIC）領(lǐng)域具有豐富的研究經(jīng)驗(yàn),，成功研發(fā)出多款具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先,、國(guó)際先進(jìn)水平的超高速數(shù)模混合電路芯片,。

北京時(shí)代民芯

北京時(shí)代民芯成立于2005年,，為航天微電子資源而成立的公司，現(xiàn)為航天電子技術(shù)股份有限公司（股票代號(hào)600879）的全資子公司,。該公司出售的高速ADC芯片有兩款,，一款是精度8bit，速度800MSPS,，另外一款是精度8bit,，速度1．3GSPS。前者具有抗輻射的功能,，所以速度相比于后者有所犧牲,。后者的規(guī)格又剛好卡在美國(guó)管控的ADC芯片性能上面。

上海貝嶺

上海貝嶺成立于1988年，是國(guó)內(nèi)集成電路行業(yè)的第一家中外合資企業(yè),，地處上海市漕河涇新興技術(shù)開發(fā)區(qū),，擁有國(guó)家級(jí)企業(yè)技術(shù)中心。公司專注于集成電路芯片設(shè)計(jì)和產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā),，是國(guó)內(nèi)集成電路產(chǎn)品主要供應(yīng)商之一,。公司重點(diǎn)發(fā)展消費(fèi)類和工控類兩大產(chǎn)品板塊業(yè)務(wù)，目前集成電路產(chǎn)品業(yè)務(wù)細(xì)分為電源管理,、智能計(jì)量及SoC,、非揮發(fā)存儲(chǔ)器、功率器件和高速高精度ADC等5大產(chǎn)品領(lǐng)域,，主要目標(biāo)市場(chǎng)為電表,、手機(jī)、液晶電視及平板顯示,、機(jī)頂盒等各類工業(yè)及消費(fèi)電子產(chǎn)品,。

中電集團(tuán)24所

中電集團(tuán)24所是我國(guó)唯一的模擬集成電路專業(yè)研究所，同時(shí)也是我國(guó)高性能模擬集成電路設(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)的重要基地,。主要產(chǎn)品有：ADC／DAC轉(zhuǎn)換器,、高性能放大器、射頻集成電路,、驅(qū)動(dòng)器,、電源以及汽車電子等，并廣泛應(yīng)用于航空航天,、衛(wèi)星定位,、雷達(dá)導(dǎo)航、自動(dòng)控制,、汽車和通訊等領(lǐng)域,。ADC這條線的產(chǎn)品相比于上面幾個(gè)公司要豐富，明面上一共展示了16款產(chǎn)品,，精度覆蓋8bit－16bit,。