ADC(Analogtodigitalconverter)和DAC(Digitaltoanalogconverter)是模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,其信號鏈芯片。ADC主要作用是將真實世界產(chǎn)生的如溫度、壓力、聲音、指紋或者圖像等模擬信號轉(zhuǎn)換成更容易處理的數(shù)字形式。DAC的作用則與ADC相反,它將數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號;從應(yīng)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(shù)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(jìn)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(wěn)步提升。并且,在將近40年的發(fā)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(shè)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(qiáng)大的設(shè)備,同時為其打造更強(qiáng)大的續(xù)航能力。蘋果、三星等企業(yè)之所以能奇跡般的完成這一目標(biāo),重點就在于全世界各地的工程師和研究人員正在設(shè)計越來越節(jié)能的高速傳輸芯片。
近日,來自楊百翰大學(xué)的研究團(tuán)隊研究出了世界上最節(jié)能的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器,簡稱ADC)。ADC是Analog-to-Digital Converter的縮寫,也就是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器或者模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。是指將連續(xù)變量的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)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(xué)的研究團(tuán)隊于2021年2月將這一成果發(fā)表在《IEEE固態(tài)電路》雜志上。資料顯示,這項研究耗時4年(3年設(shè)計芯片,1年測試芯片),來自國立陽明交通大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校的研究者共同參與了本次研究。
楊百翰大學(xué)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(fā)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(dāng)前ADC每10GHz需要消耗數(shù)百毫瓦或瓦級別的功率。這一研究也創(chuàng)下了世界上ADC的最高能效紀(jì)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?!?/p>
通信系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)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(guān)鍵部分DAC(ADC的完全相反的核心部分:數(shù)模轉(zhuǎn)換器)出發(fā)。他們通過調(diào)整電容器平行板的面積和間距來減少DAC的負(fù)載,使得轉(zhuǎn)換器更快、更高效。
此外,研究者采用與傳統(tǒng)方式不同的方式對單元電容進(jìn)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(shè)計與時序圖
通過自舉開關(guān)使其成為雙路徑后,可以對每個路徑進(jìn)行獨(dú)立優(yōu)化。這種方案不僅可以提高速度,還可以節(jié)省成本,不需要額外的硬件,因為它拆分了現(xiàn)有設(shè)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,F(xiàn)oM 為37fj/conv-step,刷新了世界上的最低功耗紀(jì)錄。
Wood Chiang認(rèn)為,這項工作推動了一切的發(fā)展,將為消費(fèi)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(yīng)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(shè)備,甚至是可植入設(shè)備之類的東西。
此外,Wood Chiang還表示,“該設(shè)備需要復(fù)雜的設(shè)計和驗證,以確保轉(zhuǎn)換器中的所有數(shù)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(xì)節(jié)。設(shè)計中的一個錯誤至少要花一年的時間才能糾正,因此團(tuán)隊很高興沒有犯任何錯誤?!?/p>
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(gòu)
ADC芯片的速度和精度指標(biāo)是相互折中的。對應(yīng)于不同的應(yīng)用場景,ADC芯片有著不同的設(shè)計架構(gòu)。以下是5個常見架構(gòu):
(1)SAR逐次逼近型:主要應(yīng)用于中速率或較低速率、中等精度的數(shù)據(jù)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(dá)到16bit的精度。
(2)FLASH&Half-FLASH:并行結(jié)構(gòu)使其采樣速率可達(dá)10Gsps以上,但是由于非線性使其分辨率限制在8bit以內(nèi),可用于示波器等產(chǎn)品。
(3)∑-Δ型:主要應(yīng)用于高精度數(shù)據(jù)采集,特別是傳感器、數(shù)字音響系統(tǒng)、多媒體、地震勘探儀器、聲納等電子測量領(lǐng)域,采集精度可達(dá)24bit。
(4)Pipelined流水線型:主要應(yīng)用于高速情況下的瞬態(tài)信號處理、快速波形存儲與記錄、高速數(shù)據(jù)采集、視頻信號量化及高速數(shù)字通訊技術(shù)等領(lǐng)域,當(dāng)前設(shè)計速度可以達(dá)到Gsps。它們非常適合例如無線收發(fā)器應(yīng)用和軍用等高性能要求的應(yīng)用。
(5)Folding:采用折疊型等結(jié)構(gòu)的高速ADC,可以實現(xiàn)比FLASH稍高的精度和差不多的速率,可應(yīng)用于廣播衛(wèi)星中的基帶解調(diào)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(fā)環(huán)節(jié)的精密配合。
ADC關(guān)鍵指標(biāo)包括“轉(zhuǎn)換速率”和“轉(zhuǎn)換精度”,其中高速高精度ADC壁壘最高。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器主要看兩個基本指標(biāo),轉(zhuǎn)換速率和轉(zhuǎn)換精度。
轉(zhuǎn)換速率通常用單位sps(Samples per Second)即每秒采樣次數(shù)來表示,比如1Msps、1Gsps對應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器每秒采樣次數(shù)分別是100萬次、10億次;轉(zhuǎn)換精度通常用分辨率(位)表示,分辨率越高表明轉(zhuǎn)換出來的數(shù)字/模擬信號與原來的信號之間的差距越小。高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器需具備高速率或高精度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的速率和精度指標(biāo)往往是相互制約、此消彼長的關(guān)系,例如亞德諾目前最快的商用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率僅為26Msps。
進(jìn)口廠商主導(dǎo)的行業(yè)現(xiàn)狀
ADC芯片的產(chǎn)業(yè)鏈和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一樣,其產(chǎn)業(yè)鏈龐大而復(fù)雜,可以分為:上游支撐產(chǎn)業(yè)鏈,包括半導(dǎo)體設(shè)備、材料、生產(chǎn)環(huán)境;中游核心產(chǎn)業(yè)鏈,包括 IC 設(shè)計、 IC 制造、 IC 封裝測試;下游需求產(chǎn)業(yè)鏈,覆蓋工業(yè)、通信、消費(fèi)電子、航空、國防及醫(yī)療等。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示,2019年全球轉(zhuǎn)換器市場規(guī)模接近36億美元,預(yù)計未來4年CAGR近10%。隨著5G基站、IoT等驅(qū)動ADC需求落地,預(yù)計2023年全球轉(zhuǎn)換器芯片市場空間有望擴(kuò)張至近50億美元。
從格局分布來看,全球模擬芯片行業(yè)格局相對分散,美歐大廠處于領(lǐng)跑地位。由于模擬芯片具有品類豐富、產(chǎn)品系列深等特點,各細(xì)分產(chǎn)品規(guī)模小、市場間跨度大,因此全球市場整體呈現(xiàn)分散的格局,頭部廠商難以取得壟斷優(yōu)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(shù)、客戶資源、品牌等方面的積累,目前在全球范圍內(nèi)仍處于領(lǐng)跑地位。
國內(nèi)ADC產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍處在追趕狀態(tài)。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(xié)定》,規(guī)定了高科技產(chǎn)品和技術(shù)的出口范圍和國家,其中高端ADC 屬于出口管制的產(chǎn)品,中國也屬于受限制的國家之一,禁運(yùn)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(jìn)一步加速國內(nèi)模擬芯片領(lǐng)域的國產(chǎn)替代節(jié)奏。聚焦ADC領(lǐng)域,全球主要供應(yīng)商仍是TI、ADI為首的幾家國際大廠,而高性能ADC在軍用領(lǐng)域、高端醫(yī)療器械以及精密測量等領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用,因此ADC技術(shù)的國產(chǎn)替代對于我國各下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大。自華為事件以后,國內(nèi)的設(shè)備廠家逐漸開始采購國產(chǎn)ADC芯片。
芯海創(chuàng)始人盧國建曾擔(dān)任華為基礎(chǔ)研究管理部副總工程師和ASIC數(shù)模產(chǎn)品部總監(jiān)。他創(chuàng)辦芯??萍嫉哪繕?biāo)清晰明了,就是從零突破研發(fā)國產(chǎn)高精ADC。從華為出走組成的國產(chǎn)班底從2003年著手自研,2006年推出填補(bǔ)市場空白的24bit高精度低功耗ADC芯片CS1242,到2021年已經(jīng)推出至CS1239,目前芯海科技ADC應(yīng)用場景從衡器市場擴(kuò)展到了泛健康類設(shè)備、智能手機(jī)、智慧家居、工業(yè)測量、汽車電子等行業(yè)。
以打破了衡器市場被國外芯片壟斷的格局,標(biāo)志中國衡器業(yè)能夠與國外頂級IC設(shè)計公司的高端產(chǎn)品相抗衡的CS1242為例,它的ENOB可達(dá)22位,集成5線SPI通訊接口,數(shù)據(jù)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(shù)達(dá)到高水準(zhǔn),在與國外同類產(chǎn)品應(yīng)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(yīng)用的覆蓋。
目前芯海旗下有CS1242、CS1243、CS1231、CS1232、CS1237、CS1238、CS1233、CS1259B、CS1239系列ADC產(chǎn)品,支持不同應(yīng)用場景。以高精為導(dǎo)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(xù)突破。
晶華微電子
晶華微目前已發(fā)布了四款A(yù)DC產(chǎn)品,分別為SD6501、SD6503、SD6505、SD6500。除SD6500未公布詳細(xì)參數(shù)外,其余三款產(chǎn)品主要在LED驅(qū)動集成和DAC集成上有所差異。三款A(yù)DC采樣速率均為512kHz,在PGA放大倍數(shù)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(chǎn)品一直在國內(nèi)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(jù)重要地位。晶華微核心技術(shù)團(tuán)隊來自美國,在高集成度的創(chuàng)新設(shè)計上頗有心得。在穩(wěn)定原有市場之外,該司目前聚焦于拓展高精度ADC的集成設(shè)計,將應(yīng)用方向推廣到智慧醫(yī)療、智慧城市、智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。
芯佰微電子
芯佰微電子于2014年正式成立,2017年正式發(fā)布ADC產(chǎn)品,前身服務(wù)于國防科技部門和研究所客戶。旗下ADC產(chǎn)品多用于雷達(dá)系統(tǒng),電網(wǎng)行業(yè)等中高端領(lǐng)域。芯佰微以高速高精度產(chǎn)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(gòu)的十多款產(chǎn)品。
今年年初芯佰微發(fā)布的CBM76AD06系列,是16位8通道同步采樣200kSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器。據(jù)悉,每個器件包含了模擬輸入箝位保護(hù),增益調(diào)節(jié)放大器,抗混疊濾波器和8個獨(dú)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(xiàn)較高的采樣速率,CBM76AD06在高采樣率下經(jīng)過專門優(yōu)化,可實現(xiàn)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(tuán)隊成員雖然不多,但主要成員均具有十年以上模擬電路、數(shù)字電路設(shè)計經(jīng)驗。在第三方先進(jìn)生產(chǎn)線和強(qiáng)大產(chǎn)能的支持下,芯佰微可以繼續(xù)專注于提高自身產(chǎn)品技術(shù)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(chǎn)化。迅芯ADC產(chǎn)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(guī)格,由此可見迅芯的實力還是不容小覷的。
在國內(nèi)超高速ADC領(lǐng)域內(nèi),迅芯有著不錯的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢,在保持技術(shù)優(yōu)勢的同時迅芯會往集成化ADC芯片拓展,同時推進(jìn)原型芯片的量產(chǎn)以此來滿足國內(nèi)5G基站、光通訊等領(lǐng)域的需求。
云芯微電子
云芯微電子由在ADI工作數(shù)十年的海歸博士于2010年創(chuàng)立,2016年被收購。云芯靠著高性能ADC研發(fā)起步,目前主要應(yīng)用于通信,雷達(dá)市場。云芯旗下ADC產(chǎn)品速度在65MSPS-250MSPS,精度在12bit-16bit之間。其中65-125MSPS,16bit和 250MSPS,14bit的產(chǎn)品規(guī)格已達(dá)到美國出口管控規(guī)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(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的標(biāo)志性企業(yè),在電力、軍事和通信市場上,上貝的高精ADC在國產(chǎn)替代上已經(jīng)實現(xiàn)了雙通道ADC、四通道ADC的量產(chǎn)。
而像深圳靈矽微電子這樣的初創(chuàng)公司,也有著深厚的技術(shù)積累。靈矽微的創(chuàng)始人黃海博士畢業(yè)于美國德州大學(xué)達(dá)拉斯分校,擁有長達(dá)10年的ADC芯片研發(fā)經(jīng)驗。2020年該司推出的ADC產(chǎn)品,在不犧牲傳統(tǒng)低功耗ADC的功耗利用率的前提下,做到了1GS/s 8bit,并已經(jīng)成功流片。下一步將向1GS/s 14bit、5GS/s 8bit等更高端ADC進(jìn)行迭代,并繼續(xù)布局激光雷達(dá)、5G通訊場景。
隨著國家對集成電路產(chǎn)業(yè)的重視,近年來中國的芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,但還是要認(rèn)清我國ADC芯片技術(shù)在高端領(lǐng)域離歐美等企業(yè)仍有差距。這既是警醒,也是國產(chǎn)ADC廠商不斷提升自研技術(shù)水平的動力。
審核編輯 :李倩
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原文標(biāo)題:全球最高效ADC芯片問世,國內(nèi)外ADC芯片發(fā)展還差多少?
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