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鼎盛合科技：一文看懂ADC芯片，国产如何突围？

更新时间: 2024-01-22 15:58:04
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芯片世界中的ADC，全称是Analog-to-Digital Converter, 模拟数字转换器！它是连接模拟世界与数字世界的桥梁，说的文艺一点，是ADC为这两个世界带来了爱情。

　　从宏观上看，自然界产生的信号，都是模拟信号，比如我们说话的声音，我们看到的图像，我们感受到的温度等等。但是这些模拟信号都得最终放在数字领域进行处理，存储或者传输，那如何把模拟信号转换成数字信号呢？对的，机智如你，我们需要一个转换器，它就是芯片界的老牌贵族—ADC！

　　说它老牌，因为第一个ADC芯片是由IBM的M. Klein于1974年发明，到2019年，已经整整45年的历史，它的基本架构、设计方法、原理已经非常之成熟!之所以称它为贵族，是因为这玩意很高冷，技术含量很高，卡脖子中的战斗鸡。在ADC的技术和市场上，美帝企业如亚德诺（ADI），德州仪器（TI）等一骑绝尘！在全球市场份额上，其中ADI占有率最高，约为58%，TI的占有率约为25%。不幸的是，在不平等条约—《瓦森纳协议》下，高性能的ADC芯片在美帝的出口管控之中，高端ADC芯片甚至完全禁运到中国。

　　什么是高端ADC芯片呢？简单来说，它是区别于消费电子市场的ADC芯片，主要应用在军工、航空航天、有线无线通信、汽车、工业和医疗仪器（核磁共振、超声）等对工艺、性能、可靠性要求极高的领域。

　　ADC的基本指标

　　ADC芯片主要看两个基本指标，一个是速度—Speed，一个是精度—Resolution。顾名思义，速度代表着ADC可以转换多大带宽—Bandwidth的模拟信号，带宽对应的就是模拟信号频谱中的最大频率。精度就是衡量转换出来的数字信号与原来的模拟信号之前的差距。

　　ADC第一步操作是对模拟信号进行采样，说到采样，小麒要先引入一个20世纪信息论中伟大的香农-奈奎斯特采样定理：为了不失真地恢复模拟信号，采样频率应该大于等于模拟信号带宽的2倍。换句话说，如果ADC的采样频率是Fs（Hz），那么它可以转换的模拟信号带宽至多是Fs/2（Hz）。对应采样频率为Fs（Hz）的ADC，它在时域里1秒中可以采集（1/Fs）点的信息。对于ADC的速度指标，我们通常用单位SPS（Sample Per Second）来表示，比如1MSPS代表着1M Samples Per Second,对应的ADC的采样频率就是1MHz，可以转换的模拟信号带宽至多是0.5MHz。

　　ADC第二步操作就是把采样的模拟信号量化成数字信号。数字信号代表的数值与模拟信号的真实数值之间的差距越小，代表着ADC的精度越高，我们通常用N-bit来表示精度，比如10-bit代表着数值之间的最大差距是1/(2^10)。精度越高的ADC，转换出来的数字信号越接近于原来真实的模拟信号。

　　ADC的应用场景及性能要求

　　记住，ADC芯片的速度和精度指标是相互折中，此消彼长的。对应于不同的应用场景，比如测量仪器、医疗电子、汽车电子、工业电子、有线/无线通信等，对ADC芯片的速度和精度都有着不尽相同的要求。在这里，小麒针对不同的应用场景做一下小小的总结。

　　1. 超低的信号带宽:

　　转换频率很低，时间上变化很慢的信号，如应用于高精度的体重计，温度计等测量仪器，ADC精度需求通常在20bit以上。

　　2. 低信号带宽:

　　转换频率低，带宽100Hz或者更小的信号，如应用于生物信号的测量，精度在8bit-18bit左右。

　　3. 音频带宽:

　　转换人耳可以听到的20Hz-20KHz的声音信号，如应用于耳机，Hi-Fi上面，精度在8bit-18bit左右。

　　4. 视频和图像带宽:

　　在此，小伙伴们回想一下这些年电视画面的变化，从小时候看的有雪花点的模拟电视到现代的高清数字电视里面，图像是越来越清晰了，ADC的性能需求也是越来越高了。模拟电视里面的ADC大概需要20MSPS，8bit的ADC，而现代的高清数字电视则需要80MSPS，12bit-14bit左右ADC。ADC在成像中应用除了电视，相机等消费类电子，也包括医疗电子、如X射线、超声波、核磁共振等。

　　5. 通信带宽:

　　高大上的无线通信领域可以划分为两个部分，一个是手机终端，一个是基站。从3G到4G，再到目前火热的5G通信，模拟信号带宽要求越来越大，但转换精度要求基本保持不变，显然易见，这两个部分对于ADC芯片的设计要求越来越高。5G通信下，手机终端需要160+MSPS，12bit的ADC芯片，基站里面需要250MSPS-1GSPS，14-16bit的ADC芯片。

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