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在我们讨论ADC发展趋势及国产化现状之前，我们先花一点儿时间了解一点儿ADC的知识。如果你不是“技术控”，可以跳过这几节。ADC的作用在工业系统中或者生活中有很多量都是模拟量，这些模拟量可以通过传感器变成与之对应的电压、电流等模拟量。为了实现数字系统对这些电模拟量的测量，运算和控制，就需要一个模拟量和数字量之间的相互转化的过程。这个任务就是由ADC（模数转换器AnalogtoDigitalConverter)完成的。A/D是模拟量到数字量的转换，反过来，D/A是数字量到模拟量的转换，依靠的是DAC（数模转换器DigitaltoAnalogConverter)。它们的原理是完全一样的，只是转换方向不同。ADC和DAC有两种存在形式：一种是单片IC，一种是以IP的形式集成在SoC当中。ADC的主要参数指标我们在选取ADC的时候，参数指标很重要。由于ADC的种类很多，参数指标也比较多，并且有的指标还有些微的差别。我们来看看其中主要的指标有哪些。●ADC的位数：我们最常见的指标就是多少速度多少位的ADC，例如M、11Bit（位）的ADC，这个位数11就是表示这款ADC的输出共有2的11次方个刻度。8位ADC，输出的是从0-的个数字，也就是2的8次方的一个数据刻度。●基准源：基准源也叫基准电压，是ADC的一个重要指标。要把输入ADC的信号测量准确，基准源首先要准确。基准源的偏差会导致转换结果的偏差。假如基准源应该是5.0V，但是实际上提供的却是4.75V，这样误把4.75V当成5.0V来处理的话，测量偏差就会比较大。●分辨率：分辨率是数字量变化的一个最小刻度时，模拟信号的变化量，定义为满刻度量程与2n次方-1的比值。假定5.10V的电压系统，使用8位的ADC进行测量，那么相当于一共个刻度把5.10V划分成份，分辨率就是5.10/=0.02V。●INL(积分非线性度)和DNL（差分非线性度）：一般容易混淆两个概念就是分辨率和精度，认为分辨率越高，则精度越高，而实际上，两者并没有必然的联系。分辨率是用来描述刻度划分的，而精度是用来描述准确程度。与ADC精度关系重大的两个指标是INL(IntegralNonLiner)和DNL(DifferencialNonLiner)。INL指的是ADC器件在所有的数值上对应的模拟值，和真实值之间的误差最大的那一个点的误差值，是ADC最重要的一个精度标准，单位是LSB。DNL表示的是ADC相邻两个刻度之间最大的差异，单位也是LSB。●转换速率：前面说了，我们最常见的指标就是多少速度多少位的ADC，例如M、11Bit（位）的ADC，这个M就是表示这款ADC的转换速率。转换速率是指ADC每秒能进行采样转换的最大次数，单位是SPS（SamplesperSecond），它与ADC完成一次从模拟到数字的转换所需要的时间互为倒数关系。ADC的种类比较多，其中积分型的ADC转换时间是毫秒级的，属于低速ADC；逐次逼近型ADC转换时间是微妙级的，属于中速ADC；并行/串行的ADC的转换时间可达到纳秒级，属于高速ADC。▲ADC原理示意图常见的ADC类型A/D转换器发展了30多年，其架构经历了多次的技术更新，从并行、逐次逼近型、积分型ADC、∑-Δ型，到近年来新发展起来的流水线型，它们的每一次技术更新，都由应用需求牵引，与应用场景有着密不可分的联系。其应用场景有：●逐次逼近型、积分型、压频变换型等，主要应用于中速或低速、中等精度的数据采集和测量等领域，如数字电压表。●分级型和流水线型ADC主要应用于高速下的瞬态信号处理、快速波形存储与记录、高速数据采集、视频信号量化及高速数字通讯技术等领域。●采用脉动型和折叠型等结构的高速ADC，主要应用于广播卫星中的基带解调等方面。●∑-Δ型ADC主应用于高精度数据采集特别是数字音响系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量领域。各类ADC架构优缺点比较1.逐次逼近型（如TLC）逐次逼近型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（12位）时价格便宜，但高精度（12位）时价格较高。2.积分型ADC（如TLC）积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，可达22位；但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低，转换速率在12位时为～SPS。初期的单片AD转换器大多采用积分型，后来被逐次逼近型替代。积分型ADC由于输入端采用了积分器，对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。能够抑制高频噪声和固定的低频干扰（如50Hz或60Hz），适合在嘈杂的工业环境中使用。3.并行比较型/串并行比较型（如TLC）并行比较ADC主要特点是速度快，它是所有的A/D转换器中速度最快的，采样速率能达到1GSPS以上。但受到功率和体积的限制，并行比较ADC的分辨率难以做的很高。由于转换速率极高，n位的转换需要2n次方-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。优点：速度快。缺点：分辨率不高，功耗大，成本高。串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次逼近型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为HalfFlash型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次逼近型高，电路规模比并行型小。4.压频变换型ADC（如AD）压频变换型（Voltage-FrequencyConverter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。缺点：类似于积分型ADC，其转换速率受到限制，12位时为～SPS。5.∑-Δ型ADC（如AD）∑-Δ转换器又称为过采样转换器，Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量领域。优点：分辨率较高（高达24位）；转换速率高（高于积分型和压频变换型ADC）；成本低（内部利用高倍频过采样技术，实现了数字滤波，降低了对传感器信号进行滤波的要求）。缺点：高速∑-Δ型ADC价格较高；在转换速率相同的条件下，比积分型和逐次逼近型ADC的功耗高。6.流水线型ADC流水线结构ADC，又称为子区式ADC，它是一种高效和强大的模数转换器。它能够提供高速、高分辨率的模数转换，并且具有令人满意的低功率消耗和很小的芯片尺寸；经过合理的设计，还可以提供优异的动态特性。流水线型ADC由若干级级联电路组成，每一级包括一个采样/保持放大器、一个低分辨率的ADC和DAC以及一个求和电路，其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器。快速精确的n位转换器分成两段以上的子区（流水线）来完成。首级电路的采样/保持器对输入信号取样后先由一个m位分辨率粗A/D转换器对输入进行量化，接着用一个至少n位精度的乘积型数模转换器（MDAC）产生一个对应于量化结果的模/拟电平并送至求和电路，求和电路从输入信号中扣除此模拟电平。并将差值精确放大某一固定增益后交下一级电路处理。经过各级这样的处理后，最后由一个较高精度的K位细A/D转换器对剩余信号进行转换。将上述各级粗、细A/D的输出组合起来即构成高精度的n位输出。优点：低功率；高精度；高分辨率；可以简化电路。有良好的线性和低失调；可以同时对多个采样进行处理，有较高的信号处理速度，典型的为Tconvns。缺点：基准电路和偏置结构过于复杂；输入信号需要经过特殊处理，以便穿过数级电路造成流水延迟；对锁存定时的要求严格；对电路工艺要求很高，电路板上设计得不合理会影响增益的线性、失调及其它参数。目前，这种新型的ADC结构主要应用于对THD和SFDR及其它频域特性要求较高的通讯系统，对噪声、带宽和瞬态相应速度等时域特性要求较高的CCD成像系统，对时域和频域参数都要求较高的数据采集系统。ADC的发展趋势目前，全球数模转化器芯片的龙头企业主要为美国的三大公司，分别是德州仪器（TI）、亚诺德（ADI）和美信（Maxim）公司。这三大公司占领了中国高速高精度AD/DA市场的95%以上。其中ADI占有率最高，约为58%，其次是TI，占有率约为25%。ADI公司是业界广泛认可的数据转换和信号处理技术全球领先供应商，拥有遍布世界各地的60,客户。作为领先业界50多年的高性能模拟集成电路制造商，ADI的产品广泛用于模拟信号和数字信号处理领域。ADI公司的大多数收入来自于数据转换器产品，只有1.5亿到2亿的收入来自电源管理IC方面。ADI公司的模数转换器(A/D)和数模转换器(D/A)一直保持市场领导地位，在ADC领域目前保持了行业最高水准（10Gsps，12bit，28nm，）。市场上其他常见产品是双通道16位A/D转换器AD。AD带信号调节、功耗1mw，主要用于低频测量，采用Σ-Δ结构。另外还有3V/5VCMOS信号调节A/D转换器AD、微功耗8通道12位A/D转换器AD，以及全球第一款24位智能数据转换系统（MicroConvertersTM）ADuC，这是一款带Flash电可擦可编程存储器〔Flash／EEPROM）的Σ-Δ转换器，可满足工业、仪器仪表和智能传感器接口应用的高精度数据转换。TI公司半导体产品销量曾名列全球第五，其中DSP产品销量全球排名第一，模拟产品位于全球第一。其常见产品有TLC/、TLV等。TLC/是以8位开关电容逐次逼近A/D转换器为基础而构造的CMOSA/D转换器。TLV是一个8位80Msps高速A/D转换器。TI在年还推出了一款16位ADC产品ADS系列，其体积比竞争产品小70%。以及业界最高带宽的24位工业用模数转换器ADS。年TI还发布了两款高精度Σ-ΔADC，亮点是尺寸小，只有3mmx3mm，有24位高精度和高集成度，型号是ADSC04和ADSU04。▲TI与ADI模拟电路营收对比（年）Maxim也是全球模拟和混合信号电路设计研发、制造的领导者，Maxim的产品线覆盖了数据转换接口电路、RF无线电路、时钟电路以及电源管理、传感器、微控制器等芯片。Maxim提供多款A/D转换器、D/A转换器和面向特定应用的数据转换器(显示器、触摸屏接口和AFE)，Maxim在这方面的产品数量多于任何供应商。除了以上ADC龙头企业，日本富士通公司于年研制出了64Gsps、8bit的产品，IBM于年采用32nm的SOICMOS工艺，研制了90Gsps、8bit的产品。ADC国产化现状ADC芯片国产化的严重缺失，可能要远远大于我们的想象。有人说，我们在ADC方面落后世界水平2～3代。笔者认为，在商业化的ADC产品方面，这个差距还要大。目前，国内做ADC的企业相对其他芯片企业少之又少。归纳起来有三个层次：一个是国家骨干研究所（企业）。包括中国电子、航天航空研究所。第二个层次是大学和研究院，例如清华大学、复旦大学以及中科院（微电子所）。第三个层次是以海归团队或大学教授、博士生为主的创业团队。第一个层次“国家队”的的ADC研发可以说已经走过了很长一段路。从上世纪80年代末开始，国内已有ADC的团队出现，这个阶段主要以项目研发为主。应用主要面向军工、航空航天、相阵控雷达设备等。经过几代人的努力今天也取得了不错的成绩，在一些应用上已经可以看到有国产ADC的芯片出现。可以查到的数据是，中电集团某研究所于年研制出了2Gsps、8bit的ADC，年研制出了5Gsps、10bit；航天某所于年研制出了3Gsps、8bit，年推出了1Gsps、12bit的ADC。第二个层次的大学以及研究院，在ADC研发方面也不断有成就报道出来，比如中科院微电子所年就研发出4Gsps、4bit的ADC产品，年研制出了8Gsps、4bit，到了年这个指标上升到了10Gsps、8bit，该产品在eBiCMOS工艺平台实现。最新的消息是复旦大学正在联合其他企业完成一项4Gsps、12bit的国家研发计划。从指标上看，这个离世界先进水平相差2代。第三个层次是近几年出现的以海归团队和以国内大学教授、博士为主的创业团队，据报道一家有清华背景的北方创业团队年还获得了某知名投资机构的青睐，得到了近亿元的投资，其目标是实现高速（1G以上）高精度ADC芯片的自主化研发。在长三角也有几家以ADC为方向的创业团队，其发展路径是针对市场壁垒不高的测量仪器等民品市场研发适销对路的ADC产品。指标参数都在65-Msps、12-16bit范围，也有报道称苏州某公司研制出了10Gsps、8bit的ADC产品。但可以肯定的是，从研发到市场，还有一段很长的路要走。▲国内ADC公司研发水平（来源：上海战泽信息科技有限公司）ADC为什么难做？数据显示，年ADC芯片销售额为亿美元，预计到年，全球ADC芯片市场规模可达亿美元，市场前景非常可观。但面对这个5亿的市场份额，国内只有少数企业参与，并且还都在摸索中前进。在5G时代，高速高精度的ADC是5G基站不可或缺的芯片。目前进口的国外ADC芯片单价都在千元以上，且不说国外的各种限制，单个5G基站的ADC芯片使用就高达两位数。可见未来国产ADC的使用空间巨大。既然ADC芯片这么重要，我们为什么不去大力研发呢？可见研发ADC芯片之难不是一般人想象。业界有人曾形容，如果把造普通芯片比作造飞机，那么造ADC芯片就是造航母，难度甚大。ADC属于模拟芯片范畴。模拟IC主要靠技术和工艺的结合，特别需要工艺的支撑。国内模拟企业的瓶颈主要在于：与数字IC的标准Foundry相比，专业的模拟Foundry非常少，能够提供精准模型的Foundry就更少。模拟IC不是标准工艺，设计门槛相对较高，对设计人员的要求尤其是经验方面的要求很高，而国内这方面人才非常欠缺，还需要时间积累。另一个原因是，ADC芯片需要时间来进行技术积累，人才积累、经验积累。但初创公司如果没有强有力的资金支持，对于初创企业而言，进军ADC芯片就如同进入一个不断挑战的“巨坑”。再加上ADC芯片产业更新换代很快，如果不能在特定时间内拿下产品，就赶不上市场的节奏，让企业难以支持。据悉，全球ADC芯片行业大致以4-6年为一个周期，其更新的速度与宏观经济、下游应用需求及自身产能库存等因素密切相关。如果电子产品更新快，那么ADC芯片性能更新必然也快。但无论如何，面对ADC这块巨大的蛋糕，我们必须要迈开第一步。虽然我们与世界先进水平相差很大，但不追赶差距就会越拉越大。我们必须坚持创新和学习精神，在培养人才、积累技术、积累经验上狠下功夫，早日拿下这颗IC皇冠顶上的宝石。期待中国有更多的ADC研发团队出现，有更多高水准的研发人才进入，有更多的投资者加入这个行列，赶上或缩小我们与世界先进水平的差距，是我们行业的使命担当。往期精彩回顾?新冠疫情促进额温枪技术与品质升级点击文末左下角阅读原文可获取TP/TP的相关资料。来点个在看，一起玩耍吧预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇
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