ADC/DAC芯片是什么

更新时间: 2024-01-22 15:15:43

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　　1 ADC/DAC芯片是什么

　　ADC(Analogtodigitalconverter)和DAC(Digitaltoanalogconverter)是模数转换芯片，其信号链芯片。ADC主要作用是将真实世界产生的如温度、压力、声音、指纹或者图像等模拟信号转换成更容易处理的数字形式。DAC的作用则与ADC相反，它将数字信号调制成模拟信号;从应用需求来看，ADC总需求更高，占比接近80%。ADC和DAC是真实世界与数字世界的桥梁，属于模拟芯片中难度最高的一部分，被称为模拟电路皇冠上的掌上明珠。

　　进入AIoT和5G的时代，因为与物理世界交互需求的增加，ADC作为信号链核心的地位还在稳步提升。并且，在将近40年的发展历程中，ADC芯片的重要性从未被动摇过。

　　如今为了满足高速移动设备不断增长的需求，科技巨头每年都会推出速度更快，功能更强大的设备，同时为其打造更强大的续航能力。苹果、三星等企业之所以能奇迹般的完成这一目标，重点就在于全世界各地的工程师和研究人员正在设计越来越节能的高速传输芯片。

　　近日，来自杨百翰大学的研究团队研究出了世界上最节能的高速模数转换器（A/D转换器，简称ADC)。ADC是Analog－to－Digital Converter的缩写，也就是模／数转换器或者模拟／数字转换器。是指将连续变量的模拟信号转换为离散的数字信号的器件，就是一个取样、量化、编码的一个过程。

　　杨百翰大学的研究团队于2021年2月将这一成果发表在《IEEE固态电路》杂志上。资料显示，这项研究耗时4年（3年设计芯片，1年测试芯片），来自国立阳明交通大学、加州大学洛杉矶分校的研究者共同参与了本次研究。

　　杨百翰大学教授Wood Chiang、博士生Eric Swindlehurst以及其他成员共同参与研究，他们研发出了在10GHz的超宽带无线通信中仅消耗21毫瓦功率的ADC芯片。相比之下，当前ADC每10GHz需要消耗数百毫瓦或瓦级别的功率。这一研究也创下了世界上ADC的最高能效纪录。

　　“全球许多研究小组都专注于ADC；就像是谁能够制造出世界上最快，最省油的汽车的竞赛，”Wood Chiang教授表示，“要击败世界各地的其他人非常困难，但我们做到了这一点。”

　　通信系统设备内越来越高的带宽，意味着电路要消耗更高的功率。研究人员是如何着手解决这个问题的呢？他们从ADC电路的关键部分DAC（ADC的完全相反的核心部分：数模转换器）出发。他们通过调整电容器平行板的面积和间距来减少DAC的负载，使得转换器更快、更高效。

　　此外，研究者采用与传统方式不同的方式对单元电容进行分组，将属于DAC中同一比特位的单元电容分在一组，而不是将它们贯穿在一起。这一方法使得底板的寄生电容降低到三分之一，从而大大降低功耗且提高了速度。

　　ADC设计与时序图

　　通过自举开关使其成为双路径后，可以对每个路径进行独立优化。这种方案不仅可以提高速度，还可以节省成本，不需要额外的硬件，因为它拆分了现有设备并更改电路中的路由。实验表明，该ADC采用28nm CMOS 工艺，在 Nyquist上工作时获得了36．9 dB 的 SNDR，功率为21毫瓦，FoM 为37fj／conv－step，刷新了世界上的最低功耗纪录。

　　Wood Chiang认为，这项工作推动了一切的发展，将为消费者带来很多便利。比如Wi－Fi将拥有更快的上载和下载速度，哪怕是观看4K或即使是8K也基本没有滞后，同时还能保持电池寿命。ADC的其他应用还包括自动驾驶汽车（使用大量无线带宽），眼镜或智能隐形眼镜之类的智能可穿戴设备，甚至是可植入设备之类的东西。

　　此外，Wood Chiang还表示，“该设备需要复杂的设计和验证，以确保转换器中的所有数千个连接都能正常工作。这就像建造一个小城市。这个项目有很多细节。设计中的一个错误至少要花一年的时间才能纠正，因此团队很高兴没有犯任何错误。”

　　2 ADC芯片性能

　　ADC芯片的性能大致分为4个方向：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芯片架构

　　ADC芯片的速度和精度指标是相互折中的。对应于不同的应用场景，ADC芯片有着不同的设计架构。以下是5个常见架构：

　　(1)SAR逐次逼近型：主要应用于中速率或较低速率、中等精度的数据采集和智能仪器中。具有最宽的采样速率，虽然它不是最快的，但低成本和低功耗使其很受欢迎。SARADC同时也可以达到16bit的精度。

　　(2)FLASH&Half-FLASH：并行结构使其采样速率可达10Gsps以上，但是由于非线性使其分辨率限制在8bit以内，可用于示波器等产品。

　　(3)∑-Δ型：主要应用于高精度数据采集，特别是传感器、数字音响系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量领域，采集精度可达24bit。

　　(4)Pipelined流水线型：主要应用于高速情况下的瞬态信号处理、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，当前设计速度可以达到Gsps。它们非常适合例如无线收发器应用和军用等高性能要求的应用。

　　(5)Folding：采用折叠型等结构的高速ADC，可以实现比FLASH稍高的精度和差不多的速率，可应用于广播卫星中的基带解调等方面。

　　其中ADC在总需求中占比接近80％。ADC／DAC是整个模拟芯片皇冠上的明珠，核心难度有两点：抽样频率和采样精度难以兼得（高速高精度ADC壁垒最高）以及需要整个制造和研发环节的精密配合。

　　ADC关键指标包括“转换速率”和“转换精度”，其中高速高精度ADC壁垒最高。数据转换器主要看两个基本指标，转换速率和转换精度。

　　转换速率通常用单位sps（Samples per Second）即每秒采样次数来表示，比如1Msps、1Gsps对应的数据转换器每秒采样次数分别是100万次、10亿次；转换精度通常用分辨率（位）表示，分辨率越高表明转换出来的数字／模拟信号与原来的信号之间的差距越小。高性能数据转换器需具备高速率或高精度的数据转换能力。

　　数据转换器的速率和精度指标往往是相互制约、此消彼长的关系，例如亚德诺目前最快的商用模数转换器的转换速率为26Gsps，但其分辨率仅为3位，而具有24位分辨率的模数转换器的转换速率仅为26Msps。

　　进口厂商主导的行业现状

　　ADC芯片的产业链和半导体产业的一样，其产业链庞大而复杂，可以分为：上游支撑产业链，包括半导体设备、材料、生产环境；中游核心产业链，包括 IC 设计、 IC 制造、 IC 封装测试；下游需求产业链，覆盖工业、通信、消费电子、航空、国防及医疗等。

　　数据统计显示，2019年全球转换器市场规模接近36亿美元，预计未来4年CAGR近10％。随着5G基站、IoT等驱动ADC需求落地，预计2023年全球转换器芯片市场空间有望扩张至近50亿美元。

　　从格局分布来看，全球模拟芯片行业格局相对分散，美欧大厂处于领跑地位。由于模拟芯片具有品类丰富、产品系列深等特点，各细分产品规模小、市场间跨度大，因此全球市场整体呈现分散的格局，头部厂商难以取得垄断优势。最为知名的厂商包括ADI、TI、Maxim、Microchip、NXP、Xilinx、STMicroelectronics等等。具体来看，欧美厂商由于起步早，凭借资金、技术、客户资源、品牌等方面的积累，目前在全球范围内仍处于领跑地位。

　　国内ADC产业发展仍处在追赶状态。1996年，以西方为主的33 个国家在奥地利维也纳签署了《瓦森纳协定》，规定了高科技产品和技术的出口范围和国家，其中高端ADC 属于出口管制的产品，中国也属于受限制的国家之一，禁运范围主要是精度超过8 位且速度超过10Msps的ADC。

　　2019年华为被纳入实体名单后，TI、ADI等美国模拟IC大厂向华为供货受限，进一步加速国内模拟芯片领域的国产替代节奏。聚焦ADC领域，全球主要供应商仍是TI、ADI为首的几家国际大厂，而高性能ADC在军用领域、高端医疗器械以及精密测量等领域起着至关重要的作用，因此ADC技术的国产替代对于我国各下游产业的发展意义重大。自华为事件以后，国内的设备厂家逐渐开始采购国产ADC芯片。

　　芯海科技

　　芯海创始人卢国建曾担任华为基础研究管理部副总工程师和ASIC数模产品部总监。他创办芯海科技的目标清晰明了，就是从零突破研发国产高精ADC。从华为出走组成的国产班底从2003年着手自研，2006年推出填补市场空白的24bit高精度低功耗ADC芯片CS1242，到2021年已经推出至CS1239，目前芯海科技ADC应用场景从衡器市场扩展到了泛健康类设备、智能手机、智慧家居、工业测量、汽车电子等行业。

　　以打破了衡器市场被国外芯片垄断的格局,标志中国衡器业能够与国外顶级IC设计公司的高端产品相抗衡的CS1242为例，它的ENOB可达22位，集成5线SPI通讯接口，数据速率输出可在1.875Hz~30Hz选择。

　　在有效精度极高的同时，该系列还降低了功耗，最低0.6mW，INL也有保证，小于0.0015%。除了参数达到高水准，在与国外同类产品应用对比中，芯海自研ADC在BIA测量信噪比更高，更匹配前端电路，同时高输出速率还保证了对多应用的覆盖。

　　目前芯海旗下有CS1242、CS1243、CS1231、CS1232、CS1237、CS1238、CS1233、CS1259B、CS1239系列ADC产品，支持不同应用场景。以高精为导向的芯海ADC仍会在提高精度、提高输入阻抗、降低增益误差漂移这些方向上继续突破。

　　随着国家对集成电路产业的重视，近年来中国的芯片产业发展迅速，但还是要认清我国ADC芯片技术在高端领域离欧美等企业仍有差距。这既是警醒，也是国产ADC厂商不断提升自研技术水平的动力。

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