什么是ADC？信號鏈ADC的位置在哪？ADC芯片的常見架構(gòu)

一

ADC基礎(chǔ)概要

1. 什么是ADC

我們通常所說的A/D 轉(zhuǎn)換器芯片（ADC）和 D/A 轉(zhuǎn)換器芯片（DAC）都是模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它們本質(zhì)上是信號鏈芯片中的一種。

ADC（Analog to digital converter）用于將真實(shí)世界產(chǎn)生的模擬信號（如溫度、壓力、聲音、指紋或者圖像等）轉(zhuǎn)換成更容易處理的數(shù)字形式；DAC（Digital to analog converter） 的作用恰恰相反，它將數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號。ADC和DAC是真實(shí)世界與數(shù)字世界的橋梁，屬于模擬芯片中難度最高的一部分，因此被稱為模擬電路皇冠上的明珠。

在轉(zhuǎn)換器芯片中， ADC應(yīng)用最為廣泛， 在兩者的總需求中占比接近80%。因此，本文將重點(diǎn)介紹ADC芯片、ADC市場規(guī)模以及其細(xì)分市場的投資機(jī)會(huì)。

2. 信號鏈中ADC的位置

圖1：信號鏈中ADC的位置

信號鏈ADC的位置在哪？從模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號時(shí)，需要首先將聲、光、溫度等外部的物理?xiàng)l件因素，通過傳感器接受這方面的信號，經(jīng)過后面的放大器以及信號條理芯片的處理，使模擬信號變得更加穩(wěn)定，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再進(jìn)行處理。

ADC有一些重要參數(shù)，當(dāng)我們對比誰家的ADC優(yōu)劣的時(shí)候可以用這些參數(shù)進(jìn)行對比一目了然。采樣率、精度、信噪比、通道間串?dāng)_、工作溫度、增益溫漂系數(shù)等，簡單來說，電路速度越高，分辨率越高，功耗越低，高信噪比、低失真、高可靠性，這是好的ADC。

那么ADC有哪些應(yīng)用領(lǐng)域呢？只要涉及到模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號的時(shí)候都是需要的，可以用于處理語音、音樂、視頻、5G射頻信號、激光雷達(dá)、示波器、精密儀器、信號發(fā)生器場景。它所涵蓋的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，橫跨通信、消費(fèi)、工業(yè)、汽車四大領(lǐng)域。

3. ADC vs. 數(shù)字IC

我們把模擬IC和數(shù)字IC進(jìn)行一下對比。

**從信號傳輸形式來看，**模擬IC的信號傳輸形式以波的形式，當(dāng)我們把模擬信號拿過來看的時(shí)候類似于三角函數(shù)的形態(tài)，和數(shù)字IC完全不一樣。因?yàn)槟MIC接受外部的信號，所以失真程度較高，要通過一定的補(bǔ)償算法和采樣使它達(dá)到較為完整的波。數(shù)字IC很簡單，不會(huì)有失真的問題。

從替代性方面來看， 模擬IC的生命周期遠(yuǎn)長過數(shù)字IC，所以替代性比較低一些，包括我們可以看到做模擬IC的設(shè)計(jì)人才，年齡比做數(shù)字IC的人偏大一些，因?yàn)樗麄儗?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/1053/" target="_blank">EDA軟件依賴性沒有那么高，更多是依賴于自己的經(jīng)驗(yàn)。

從零售價(jià)格來比較， 模擬IC的價(jià)格比較低，但去年上半年因?yàn)樾酒必?，包括歐美大廠產(chǎn)能不足的原因，導(dǎo)致零售價(jià)格非常高，比海外的售價(jià)高出三到四倍的水平，該情況從去年下半年開始逐漸緩解。

一個(gè)好的ADC團(tuán)隊(duì)，他們相對數(shù)字IC不需要太多的投入，模擬IC主流使用0.18um/0.13um， 除了個(gè)別使用28nm甚至16nm FinFET。整體來看，ADC相對數(shù)字IC流片比較小。

從團(tuán)隊(duì)配置來看 ，數(shù)字IC往往需要大量人員儲(chǔ)備，我們可以理解做數(shù)字芯片的公司要不斷地?zé)X和堆人，而模擬芯片對人才的經(jīng)驗(yàn)、學(xué)識(shí)要求更高，成員年齡較數(shù)字IC團(tuán)隊(duì)偏大，往往團(tuán)隊(duì)較小較精英化，其中以ADC為最。國內(nèi)團(tuán)隊(duì)用在民用上的ADC比較缺乏經(jīng)驗(yàn)，如果要打民用市場需要從海外大廠回來的人員，包括TI、ADI等，這些人更懂客戶需求，設(shè)計(jì)能力更高。

從流片情況來看，國內(nèi)代工廠缺乏高速高精度ADC流片工藝，產(chǎn)品良率較低，如果主打高速高精度ADC，基本上只能在臺(tái)積電流片，因此拿晶圓的能力也是這個(gè)團(tuán)隊(duì)很重要的能力之一。

4. 模數(shù)轉(zhuǎn)換過程與ADC

下面，我簡單和大家講一下其中的數(shù)模轉(zhuǎn)換的過程。

圖2：模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的過程

從模擬信號到數(shù)字信號，模擬信號看起來非常不規(guī)則也不完整，最后變成數(shù)字信號，經(jīng)過了采樣，通過積分的形式，你的精度越高，相當(dāng)于積分的DS越小，因此失真性越低，完成之后進(jìn)行編碼，之后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

圖3：采樣速率越高，每秒采樣次數(shù)越多，即失真性越低

從重要性來看，采樣是最關(guān)鍵的，在相同的精度下采樣速度越高表示芯片越好，轉(zhuǎn)換速度越快。精度越高，分辨率越高，轉(zhuǎn)換出來的信號和原來信號的差距比較小，我們可以理解為失真性比較小。里面存在一個(gè)很大的難點(diǎn)，采樣速率和采樣精度是“魚和熊掌不可兼得”。如果采樣精度做得很高，比如說32比特，沒有任何可能做到一個(gè)G的采樣速率。如果做到一個(gè)G的采樣速率，精度大概8-14位左右。

二

ADC芯片的常見架構(gòu)

下面，我跟大家分享一下ADC芯片的常見架構(gòu)。根據(jù)下圖所示，速度最高的叫超高速，基本上到10個(gè)G，這個(gè)細(xì)分領(lǐng)域的市場非常小，屬于非常冷門的ADC。行業(yè)普遍將高速ADC統(tǒng)稱pipeline，也叫流水線型ADC。

圖4：ADC芯片的分類

流水線型對應(yīng)的是一個(gè)G到12比特左右，往上就是逐次逼進(jìn)型ADC（SAR ADC），是比較中庸的ADC，屬于中精度、中速率。最后是過采樣（Σ-ΔADC），基本上是16比特高精度ADC，因此速度相對比較慢一些。

下面我就來分別介紹一下這幾類ADC：

1. 過采樣ADC（Σ-ΔADC）

圖5：Σ-ΔADC（過采樣）

如上圖所示，過采樣ADC結(jié)構(gòu)相比流水線型簡單一些，比逐次逼進(jìn)型稍微復(fù)雜一點(diǎn)。它是通過積分的方式和跟蹤信號的局部平均值，整體來看工藝要求不是很高。國內(nèi)的中芯國際可以流片，應(yīng)用領(lǐng)域很廣，包括高精度數(shù)據(jù)采集，特別是傳感器、數(shù)字音響系統(tǒng)、多媒體、工業(yè)流程控制、地震勘探儀器、聲納等電子測量、語音系統(tǒng)等。我個(gè)人喜歡分為消費(fèi)領(lǐng)域和儀器領(lǐng)域，基本上是這兩個(gè)最大應(yīng)用領(lǐng)域。

在消費(fèi)領(lǐng)域，提質(zhì)儀和測溫槍，比較低端的傳感器都會(huì)用到過采樣ADC，尤其是消費(fèi)級別，占據(jù)了過采樣ADC絕大的份額。測量儀器領(lǐng)域，包括地震勘測儀、聲納、CT機(jī)、X光機(jī)等，這些領(lǐng)域的價(jià)格昂貴，但是需要的量不多，所以市場規(guī)模相對消費(fèi)電子小一些。

2. 逐次逼近型ADC（SAR ADC）

圖6：SAR ADC（逐次逼近型）

逐次逼進(jìn)型ADC，特點(diǎn)是采用二分法的形式，采樣信號在比較器里不斷和參考鏈進(jìn)行比較，最后對信號完成模擬形態(tài)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對于流水線型來說比較簡單，數(shù)字化程度比較高，功耗比較低，整體來看主要以SoC形式存在。這款芯片也能在中芯國際流片，應(yīng)用領(lǐng)域比較廣。因?yàn)槭侵械染?、中等速度，所以在工控領(lǐng)域和通信領(lǐng)域都會(huì)用到，轉(zhuǎn)換速度和精度比較一般。

3.快閃型ADC（Flash ADC）

圖7：Flash ADC（快閃型）

超高速ADC也被稱為快閃型ADC，因?yàn)樾阅芟鄬碚f比較好，復(fù)雜程度高。如果隨著精度上升，比較器的個(gè)數(shù)呈指數(shù)級的上升，功耗和面積非常高，所以打不動(dòng)民用市場，只是在非常偏門的市場應(yīng)用比較多，這塊的市場規(guī)?？梢院雎圆挥?jì)。

4. 流水線型ADC（Pipeline ADC）

圖8：Pipeline ADC（流水線型）

我們再來看一下流水線型ADC。這一款A(yù)DC比較復(fù)雜，這個(gè)名稱是國內(nèi)提出的，因?yàn)閲鴥?nèi)是仿照TI的架構(gòu)自己做出來的架構(gòu)。它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，速度非常高，精度主要是集中在8-12比特，所以特別適合用于高速情況下的信號處理，比如說高速數(shù)據(jù)采集，視頻信號量化以及用在基站里的通訊技術(shù)等領(lǐng)域。它的應(yīng)用場景包括5G基站、雷達(dá)、醫(yī)學(xué)成像等，基本上高性能要求的地方都要用到。功耗比較大，電路面積比較大，只能在臺(tái)積電流片。

從下面的圖可以清晰地看到四款A(yù)DC從精度、采樣速率、功耗的情況。

圖9：四款A(yù)DC性能對比

我做一個(gè)總結(jié)，流水線型屬于法拉利，單價(jià)比較高，很難買到，面積比較大，性能比較好。

逐次逼進(jìn)型ADC比較中庸，屬于日系車的雷克薩斯，應(yīng)用的場景比較多，單價(jià)也會(huì)低一些。

過采樣ADC相當(dāng)于馬自達(dá)，精度比較高，速度很慢，可以下沉消費(fèi)市場，做得好也非常難，操控性比較強(qiáng)。

超高速ADC只管速度，不管精度，用得很少，在一些專用的特殊場景，比如航空航天或者軍工領(lǐng)域，但是基本上買不到國外的，而且市場規(guī)模非常窄。

三

ADC行業(yè)特點(diǎn)

1. 高端ADC面臨“卡脖子”問題

目前，高端ADC面臨卡脖子問題，就是我們買不到。我們看下圖有一條線，線以上就是瓦森納協(xié)議。

圖10：“瓦森納禁運(yùn)線”標(biāo)準(zhǔn)

這條線我們可以了解到高性能的，比如12比特作為代表，12比特的精度做到一個(gè)G的采樣速率水平，這類芯片是買不到的，中國屬于受限制的國家，禁運(yùn)范圍主要集中在流水線型和逐次逼進(jìn)型。因?yàn)橛迷谕ㄓ嵒疽约败姽し矫?，必須要采用流水線型的架構(gòu)才能做出來，軍工客戶或者大客戶面臨的問題是有或無的問題，我寧愿花遠(yuǎn)高于TI或者ADI的價(jià)格，可能高四五倍買芯片，解決從無到有的問題。

因?yàn)橥呱{協(xié)議的因素，國內(nèi)涌進(jìn)了很多家公司，目前有六七家，專注瓦森納協(xié)議以上的ADC起家，但是他們打不進(jìn)民用市場。做法拉利和馬自達(dá)有很大的區(qū)別，又想性能好又舒服很考驗(yàn)芯片設(shè)計(jì)能力，也許能把性能做得很好，但是體驗(yàn)不是特別好，或者把體驗(yàn)做得特別好，但是開起來性能一般，這也是很難平衡把握的因素。

2. ADC行業(yè)的三大難點(diǎn)

ADC行業(yè)有三個(gè)難點(diǎn)， 一是設(shè)計(jì)難度大 ，很難依賴于ADC的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，很多要靠設(shè)計(jì)人員自己的經(jīng)驗(yàn)，很多時(shí)候有很大的問題，設(shè)計(jì)出來的芯片靜態(tài)指標(biāo)是完美的，但是跑出來的時(shí)候動(dòng)態(tài)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到靜態(tài)指標(biāo)，比如噪聲、干擾等，尤其是從研究院或者科研院所出來的團(tuán)隊(duì)，需要工程師有多學(xué)科基礎(chǔ)。這是目前ADC行業(yè)最大的痛點(diǎn)。

二是生命周期比較長 ，由于模擬芯片注重高可靠性和穩(wěn)定性，因此模擬芯片在新場景驗(yàn)證的時(shí)間比較長，一旦產(chǎn)品切入客戶之后，迭代周期也會(huì)比較長，可持續(xù)供貨長達(dá)10年以上，這個(gè)客戶相當(dāng)于鎖定了，和汽車行業(yè)類似。

三是人才設(shè)計(jì)能力要求高 ，模擬芯片不需要大軍團(tuán)，但對人才設(shè)計(jì)能力經(jīng)驗(yàn)要求非常高，年輕的芯片設(shè)計(jì)師可能學(xué)科背景不錯(cuò)，但是也不放心，因?yàn)椴痪邆涑^10年以上模擬芯片設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，工程師要對集成電路設(shè)計(jì)、晶圓制造工藝流程和大部分元器件的電特性和物理特性均有了解。未來芯片的動(dòng)態(tài)性能做出來的話，靜態(tài)性能差距有點(diǎn)大，這是我們必須考量的因素。