1ADC/DAC芯片是什么

ADC(Analogtodigitalconverter)和DAC(Digitaltoanalogconverter)是模數轉換芯片，其信號鏈芯片。ADC主要作用是將真實世界產生的如溫度、壓力、聲音、指紋或者圖像等模擬信號轉換成更容易處理的數字形式。DAC的作用則與ADC相反，它將數字信號調制成模擬信號;從應用需求來看，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步提升。并且，在將近40年的發展歷程中，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航能力。蘋果、三星等企業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能的高速模數轉換器（A/D轉換器，簡稱ADC)。ADC是Analog－to－Digital Converter的縮寫，也就是模／數轉換器或者模擬／數字轉換器。是指將連續變量的模擬信號轉換為離散的數字信號的器件，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月將這一成果發表在《IEEE固態電路》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需要消耗數百毫瓦或瓦級別的功率。這一研究也創下了世界上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。”

通信系統設備內越來越高的帶寬，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：數模轉換器）出發。他們通過調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化。這種方案不僅可以提高速度，還可以節省成本，不需要額外的硬件，因為它拆分了現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，FoM 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。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。”

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

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

(1)SAR逐次逼近型：主要應用于中速率或較低速率、中等精度的數據采集和智能儀器中。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：并行結構使其采樣速率可達10Gsps以上，但是由于非線性使其分辨率限制在8bit以內，可用于示波器等產品。

(3)∑-Δ型：主要應用于高精度數據采集，特別是傳感器、數字音響系統、多媒體、地震勘探儀器、聲納等電子測量領域，采集精度可達24bit。

(4)Pipelined流水線型：主要應用于高速情況下的瞬態信號處理、快速波形存儲與記錄、高速數據采集、視頻信號量化及高速數字通訊技術等領域，當前設計速度可以達到Gsps。它們非常適合例如無線收發器應用和軍用等高性能要求的應用。

(5)Folding：采用折疊型等結構的高速ADC，可以實現比FLASH稍高的精度和差不多的速率，可應用于廣播衛星中的基帶解調等方面。

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環節的精密配合。

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。數據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）即每秒采樣次數來表示，比如1Msps、1Gsps對應的數據轉換器每秒采樣次數分別是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字／模擬信號與原來的信號之間的差距越小。高性能數據轉換器需具備高速率或高精度的數據轉換能力。

數據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位分辨率的模數轉換器的轉換速率僅為26Msps。

進口廠商主導的行業現狀

ADC芯片的產業鏈和半導體產業的一樣，其產業鏈龐大而復雜，可以分為：上游支撐產業鏈，包括半導體設備、材料、生產環境；中游核心產業鏈，包括 IC 設計、 IC 制造、 IC 封裝測試；下游需求產業鏈，覆蓋工業、通信、消費電子、航空、國防及醫療等。

數據統計顯示，2019年全球轉換器市場規模接近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、產品系列深等特點，各細分產品規模小、市場間跨度大，因此全球市場整體呈現分散的格局，頭部廠商難以取得壟斷優勢。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，目前在全球范圍內仍處于領跑地位。

國內ADC產業發展仍處在追趕狀態。1996年，以西方為主的33 個國家在奧地利維也納簽署了《瓦森納協定》，規定了高科技產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，進一步加速國內模擬芯片領域的國產替代節奏。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技術的國產替代對于我國各下游產業的發展意義重大。自華為事件以后，國內的設備廠家逐漸開始采購國產ADC芯片。

芯海科技

芯海創始人盧國建曾擔任華為基礎研究管理部副總工程師和ASIC數模產品部總監。他創辦芯海科技的目標清晰明了，就是從零突破研發國產高精ADC。從華為出走組成的國產班底從2003年著手自研，2006年推出填補市場空白的24bit高精度低功耗ADC芯片CS1242，到2021年已經推出至CS1239，目前芯海科技ADC應用場景從衡器市場擴展到了泛健康類設備、智能手機、智慧家居、工業測量、汽車電子等行業。

以打破了衡器市場被國外芯片壟斷的格局,標志中國衡器業能夠與國外頂級IC設計公司的高端產品相抗衡的CS1242為例，它的ENOB可達22位，集成5線SPI通訊接口，數據速率輸出可在1.875Hz~30Hz選擇。

在有效精度極高的同時，該系列還降低了功耗，最低0.6mW，INL也有保證，小于0.0015%。除了參數達到高水準，在與國外同類產品應用對比中，芯海自研ADC在BIA測量信噪比更高，更匹配前端電路，同時高輸出速率還保證了對多應用的覆蓋。

目前芯海旗下有CS1242、CS1243、CS1231、CS1232、CS1237、CS1238、CS1233、CS1259B、CS1239系列ADC產品，支持不同應用場景。以高精為導向的芯海ADC仍會在提高精度、提高輸入阻抗、降低增益誤差漂移這些方向上繼續突破。

晶華微電子

晶華微目前已發布了四款ADC產品，分別為SD6501、SD6503、SD6505、SD6500。除SD6500未公布詳細參數外，其余三款產品主要在LED驅動集成和DAC集成上有所差異。三款ADC采樣速率均為512kHz，在PGA放大倍數上相比芯海多出了一檔，而ENOB則略低，為19.3bit。

上述的晶華微24Bits ADC產品一直在國內四電極交流脂肪秤、高精度電子秤、血糖計、紅外測溫市場占據重要地位。晶華微核心技術團隊來自美國，在高集成度的創新設計上頗有心得。在穩定原有市場之外，該司目前聚焦于拓展高精度ADC的集成設計，將應用方向推廣到智慧醫療、智慧城市、智能制造、工業物聯網等領域。

芯佰微電子

芯佰微電子于2014年正式成立，2017年正式發布ADC產品，前身服務于國防科技部門和研究所客戶。旗下ADC產品多用于雷達系統，電網行業等中高端領域。芯佰微以高速高精度產品為切入點，推出分辨率從8BIT，12BIT，14BIT，16BIT，18BIT，采樣率從5MSps到1.5GSps，覆蓋SAR、Pipeline、Sigma-Delta架構的十多款產品。

今年年初芯佰微發布的CBM76AD06系列，是16位8通道同步采樣200kSPS模數轉換器。據悉，每個器件包含了模擬輸入箝位保護，增益調節放大器，抗混疊濾波器和8個獨立的16位SAR ADC核。該系列并沒有通過犧牲功耗和精度來實現較高的采樣速率，CBM76AD06在高采樣率下經過專門優化，可實現出色的直流線性度和交流性能，即使在滿吞吐量下也是如此。

團隊成員雖然不多，但主要成員均具有十年以上模擬電路、數字電路設計經驗。在第三方先進生產線和強大產能的支持下，芯佰微可以繼續專注于提高自身產品技術水平。

迅芯微電子

蘇州迅芯微電子主攻超高速ADC，致力于超高速ADC國產化。迅芯ADC產品覆蓋1Gsps-40Gsps采樣率，6-14bit分辨率，帶寬大于3GHz。值得一提的是，2GSPS，8bit 和 10GSPS, 10bit都屬于美國出口管控的規格，由此可見迅芯的實力還是不容小覷的。

在國內超高速ADC領域內，迅芯有著不錯的技術領先優勢，在保持技術優勢的同時迅芯會往集成化ADC芯片拓展，同時推進原型芯片的量產以此來滿足國內5G基站、光通訊等領域的需求。

云芯微電子

云芯微電子由在ADI工作數十年的海歸博士于2010年創立，2016年被收購。云芯靠著高性能ADC研發起步，目前主要應用于通信，雷達市場。云芯旗下ADC產品速度在65MSPS-250MSPS，精度在12bit-16bit之間。其中65-125MSPS，16bit和 250MSPS，14bit的產品規格已達到美國出口管控規格。

除此之外還有上海貝嶺這樣的老牌廠商。上海貝嶺作為國家改革開放初期成功吸引外資和引進國外先進技術的標志性企業，在電力、軍事和通信市場上，上貝的高精ADC在國產替代上已經實現了雙通道ADC、四通道ADC的量產。

而像深圳靈矽微電子這樣的初創公司，也有著深厚的技術積累。靈矽微的創始人黃海博士畢業于美國德州大學達拉斯分校，擁有長達10年的ADC芯片研發經驗。2020年該司推出的ADC產品，在不犧牲傳統低功耗ADC的功耗利用率的前提下，做到了1GS/s 8bit，并已經成功流片。下一步將向1GS/s 14bit、5GS/s 8bit等更高端ADC進行迭代，并繼續布局激光雷達、5G通訊場景。

隨著國家對集成電路產業的重視，近年來中國的芯片產業發展迅速，但還是要認清我國ADC芯片技術在高端領域離歐美等企業仍有差距。這既是警醒，也是國產ADC廠商不斷提升自研技術水平的動力。

審核編輯 ：李倩