ADC（Analog－to－Digital Converter,，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）被贊譽為芯片皇冠上的明珠,，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,、加州大學洛杉磯分校的研究者共同參與了本次研究。

楊百翰大學教授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,?！?/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?！?/p>

模擬芯片皇冠上的明珠,，ADC有哪些關(guān)鍵指標？

眾所周知,，信號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作用是對模擬信號進行高頻采樣,，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；DAC的作用是將數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號,。

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,。

（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,。

根據(jù)這兩大指標,，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。

 國內(nèi)外ADC產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀：進口廠商主導

ADC芯片的產(chǎn)業(yè)鏈和半導體產(chǎn)業(yè)的一樣,，其產(chǎn)業(yè)鏈龐大而復雜,，可以分為：上游支撐產(chǎn)業(yè)鏈，包括半導體設(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，預計未來4年CAGR近10％。隨著5G基站,、IoT等驅(qū)動ADC需求落地,，預計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。

目前,，國內(nèi)比較成熟的ADC廠商有：

芯?？萍?/p>

芯海科技成立于2003年9月,，是一家集感知,、計算、控制于一體的全信號鏈芯片設(shè)計企業(yè),，專注于高精度ADC,、高性能MCU、測量算法以及物聯(lián)網(wǎng)一站式解決方案的研發(fā)設(shè)計,。產(chǎn)品及方案廣泛應用于智慧健康,、壓力觸控、智慧家居感知,、工業(yè)測量,、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,、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,，是工信部認證集成電路設(shè)計企業(yè)、江蘇省高新技術(shù)企業(yè),，擁有20多項發(fā)明專利和實用新型專利,，以及多項集成電路布圖設(shè)計登記和軟件著作權(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、研發(fā),、銷售為一體,，并提供其技術(shù)咨詢及技術(shù)服務,。團隊成員在超高速數(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,，成功研發(fā)出多款具有國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平的超高速數(shù)?；旌想娐沸酒?。

北京時代民芯

北京時代民芯成立于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),，擁有國家級企業(yè)技術(shù)中心,。公司專注于集成電路芯片設(shè)計和產(chǎn)品應用開發(fā)，是國內(nèi)集成電路產(chǎn)品主要供應商之一,。公司重點發(fā)展消費類和工控類兩大產(chǎn)品板塊業(yè)務,，目前集成電路產(chǎn)品業(yè)務細分為電源管理、智能計量及SoC,、非揮發(fā)存儲器,、功率器件和高速高精度ADC等5大產(chǎn)品領(lǐng)域，主要目標市場為電表,、手機,、液晶電視及平板顯示、機頂盒等各類工業(yè)及消費電子產(chǎn)品,。

中電集團24所

中電集團24所是我國唯一的模擬集成電路專業(yè)研究所,，同時也是我國高性能模擬集成電路設(shè)計開發(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)動器,、電源以及汽車電子等,，并廣泛應用于航空航天、衛(wèi)星定位,、雷達導航,、自動控制、汽車和通訊等領(lǐng)域,。ADC這條線的產(chǎn)品相比于上面幾個公司要豐富,，明面上一共展示了16款產(chǎn)品，精度覆蓋8bit－16bit,。