ADC（Analog－to－Digital Converter，模擬數(shù)字轉換器）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)轉換器（A／D轉換器，簡稱ADC）。ADC是Analog－to－Digital Converter的縮寫，也就是模／數(shù)轉換器或者模擬／數(shù)字轉換器。是指將連續(xù)變量的模擬信號轉換為離散的數(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。”
通信系統(tǒng)設備內(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電路的關鍵部分DAC（ADC的完全相反的核心部分：數(shù)模轉換器）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設計與時序圖
通過自舉開關使其成為雙路徑后，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備，甚至是可植入設備之類的東西。
此外，Wood Chiang還表示，“該設備需要復雜的設計和驗證，以確保轉換器中的所有數(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。”
模擬芯片皇冠上的明珠，ADC有哪些關鍵指標？
眾所周知，信號鏈芯片主要包括放大器、數(shù)模轉換、接口等品類，其中轉換器屬于其中技術壁壘最高細分品類。轉換器是由模擬電磁波轉換成0101比特流最關鍵的環(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關鍵指標包括“轉換速率”和“轉換精度”，其中高速高精度ADC壁壘最高。數(shù)據(jù)轉換器主要看兩個基本指標，轉換速率和轉換精度。
轉換速率通常用單位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)轉換器每秒采樣次數(shù)分別是100萬次、10億次；轉換精度通常用分辨率（位）表示，分辨率越高表明轉換出來的數(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)轉換器需具備高速率或高精度的數(shù)據(jù)轉換能力。
（各種類型ADC的速度與精度關系 資料來源：芯力特官網(wǎng)）
數(shù)據(jù)轉換器的速率和精度指標往往是相互制約、此消彼長的關系，例如亞德諾目前最快的商用模數(shù)轉換器的轉換速率為26Gsps，但其分辨率僅為3位，而具有24位分辨率的模數(shù)轉換器的轉換速率僅為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，包括半導體設備、材料、生產(chǎn)環(huán)境；中游核心產(chǎn)業(yè)鏈，包括 IC 設計、 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等驅動ADC需求落地，預計2023年全球轉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、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)模擬芯片領域的國產(chǎn)替代節(jié)奏。聚焦ADC領域，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在軍用領域、高端醫(yī)療器械以及精密測量等領域起著至關重要的作用，因此ADC技術的國產(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：
芯海科技
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)模混合集成電路芯片（ADC／DAC）和集成中射頻、模擬、數(shù)字功能等集成芯片（SOC＆SIP）的設計、開發(fā)、生產(chǎn)及銷售，并提供相關技術咨詢和技術服務，是工信部認證集成電路設計企業(yè)、江蘇省高新技術企業(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計登記和軟件著作權登記。
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)的設計、研發(fā)、銷售為一體，并提供其技術咨詢及技術服務。團隊成員在超高速數(shù)據(jù)轉換器（ADC／DAC）芯片、高速串并／并串轉換（DEMUX／MUX）芯片，以及微波單片集成電路（MMIC）領域具有豐富的研究經(jīng)驗，成功研發(fā)出多款具有國內(nèi)領先、國際先進水平的超高速數(shù)模混合電路芯片。
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開發(fā)區(qū)，擁有國家級企業(yè)技術中心。公司專注于集成電路芯片設計和產(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計開發(fā)和生產(chǎn)的重要基地。主要產(chǎn)品有：ADC／DAC轉換器、高性能放大器、射頻集成電路、驅動器、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。
