如何將數(shù)字世界與模擬世界聯(lián)系在一起？

我們處在一個數(shù)字時代，而我們的視覺、聽覺、感覺、嗅覺等所感知的卻是一個模擬世界。如何將數(shù)字世界與模擬世界聯(lián)系在一起，正是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)大顯身手之處。任何一個信號鏈系統(tǒng)，都需要傳感器來探測來自模擬世界的電壓、電流、溫度、壓力等信號。這些傳感器探測到的信號量被送到放大器中進(jìn)行放大，然后通過ADC把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)過處理器、DSP或FPGA信號處理后，再經(jīng)由DAC還原為模擬信號。所以ADC和DAC在信號鏈的框架中起著橋梁的作用，即模擬世界與數(shù)字世界的一個接口。

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，也出現(xiàn)了華為、紫光、中星微等具有一定知名度的芯片企業(yè)。但以目前的發(fā)展現(xiàn)狀，中國芯片技術(shù)離歐美等企業(yè)仍有差距，而這個差距在ADC芯片上表現(xiàn)得尤為顯著。

目前ADC芯片主要的供應(yīng)商是德州儀器、亞德諾等公司，中國是全球最主要的ADC芯片需求方，但是國內(nèi)能造出高精度的ADC芯片企業(yè)微乎其微，即便造出來了，性能和價格也無法跟上市場的節(jié)奏?？梢赃@么說，在核心的ADC芯片供給率上，國產(chǎn)占有率幾乎為零。

芯片有幾千種，ADC芯片就是最難造的幾種之一

ADC也叫模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是指將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號的器件。真實(shí)世界的模擬信號，例如溫度、壓力、聲音或者圖像等，需要轉(zhuǎn)換成更容易儲存、處理和發(fā)射的數(shù)字形式。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)這個功能，在各種不同的產(chǎn)品中都可以找到它的身影，在實(shí)際應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)微型化，通常做成ADC芯片。

造芯片是非常精密的工藝，通常芯片單位為納米，一納米也就是十萬分之一毫米，這對設(shè)計(jì)、制造工藝都有非常嚴(yán)格、高標(biāo)準(zhǔn)的要求。僅從產(chǎn)品種類來說，芯片的種類就有幾十種大門類，上千種小門類，如果涉及設(shè)備流程的話就更多了。

以通信基站為例，里面有上百顆芯片，基站發(fā)射回收信號，收回信號后首先要有芯片濾波；然后還有芯片將這種特別小的信號放大；再有芯片進(jìn)行解析、處理；然后是芯片負(fù)責(zé)傳輸、分發(fā)等等，每個過程都需要芯片處理。

ADC芯片市場的重要性和前景

由于系統(tǒng)的實(shí)際對象往往都是一些溫度、壓力、位移、圖像等模擬信號，要使計(jì)算機(jī)或數(shù)字產(chǎn)品等能識別、處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這就需要ADC。而經(jīng)計(jì)算機(jī)分析、處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號才能為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所接受。

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2017年ADC芯片銷售額為545億美元，預(yù)計(jì)到2022年，全球ADC芯片市場規(guī)?？蛇_(dá)748億美元，市場前景非常可觀。未來幾年支撐ADC芯片增長的主要驅(qū)動力是5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子等新興應(yīng)用，這些相關(guān)的產(chǎn)品或技術(shù)對信號處理的需求大漲。

作為一名普通的工程師，曾經(jīng)無數(shù)次這樣問自己，既然ADC芯片這么重要，為什么中國不去加大研發(fā)，讓中國的產(chǎn)品用上屬于自己的ADC芯片呢？直到后面工作了幾年，才真正明白，造芯片可不是靠“豪言壯語”就可以的，造芯片難，造ADC芯片難上加難。業(yè)界有人曾表示，如果把造普通芯片比作造飛機(jī)，那么造ADC芯片就是造航母，難度甚大。

ADC芯片國產(chǎn)化為什么這么難？

高精度的ADC芯片難造：目前幾乎一半的電子產(chǎn)品中，都有ADC芯片，隨著客戶對電子產(chǎn)品信號要求越來越高，高精度的ADC芯片成市場剛需。全球能生產(chǎn)出高性價比的高精度的ADC芯片的企業(yè)不到十家，而又以美國企業(yè)為主。一款好的ADC芯片體現(xiàn)在高精度、低功耗、轉(zhuǎn)換效率等指標(biāo)上，目前制造ADC芯片的溫度傳感器和高精度振蕩器非常緊缺，這也是國內(nèi)企業(yè)的一大痛點(diǎn)。

除此之外，隨著全球微型化工藝的進(jìn)步，ADC芯片在尺寸上越來越??；同時客戶對芯片的耐操性逐漸提升，這要求芯片在選型上更加精確，這給芯片的通道選擇、PGA選擇、輸出速率等選擇上增加了很大的難度，對于初創(chuàng)企業(yè)而言，進(jìn)軍ADC芯片就是一個不斷挑戰(zhàn)的“巨坑”。

ADC芯片產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代快：芯片產(chǎn)業(yè)遵循摩爾定律，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，也就是每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個月增加一倍。ADC芯片產(chǎn)業(yè)比普通的芯片更新迭代更快。據(jù)悉，全球ADC芯片行業(yè)大致以4-6年為一個周期，更新的速度與宏觀經(jīng)濟(jì)、下游應(yīng)用需求及自身產(chǎn)能庫存等因素密切相關(guān)，電子產(chǎn)品更新快，那么ADC芯片性能必然也快。

ADC芯片生產(chǎn)工序多：芯片制造本來涉及的工藝多，幾千道工序想想就可怕。ADC芯片相對于普通芯片，生產(chǎn)的工序非常復(fù)雜。ADC芯片一般包含操作寄存器、中斷寄存器、轉(zhuǎn)換存儲控制器，在工藝制造過程中，ADC芯片有一個步驟需要消除ADC發(fā)泡劑工序產(chǎn)生的酸霧和雜質(zhì)，這樣才能保住轉(zhuǎn)換信號的精度，在制造上，對機(jī)器和環(huán)境的要求頗高。

綜述：中國有著全球最大的電子應(yīng)用市場，這幾年物聯(lián)網(wǎng)、AI、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等發(fā)展非常快，ADC芯片在中國大有可為。ADC芯片不同于普通的芯片產(chǎn)業(yè)，有著自己的特點(diǎn)，下游應(yīng)用廣泛但生產(chǎn)技術(shù)工序多、產(chǎn)品種類多；技術(shù)更新?lián)Q代快企業(yè)投資高風(fēng)險大；產(chǎn)業(yè)鏈集成化、垂直度高等。不管有什么難度，我們已經(jīng)看到了中國造ADC芯片的決心和行動。

雖然中國目前仍無法造出高精度的ADC芯片，但隨著國家和企業(yè)的重視，已經(jīng)出現(xiàn)了中科院微電子所、上海貝嶺等ADC企業(yè)，它們已經(jīng)能造出小批量的ADC芯片，在不久的未來，中國一定能造出屬于自己的ADC芯片。

擴(kuò)展閱讀：模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的基本原理

信號鏈系統(tǒng)概要

一個信號鏈系統(tǒng)主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、采樣與保持電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC組成，見圖1。DAC，簡單來講就是數(shù)字信號輸入，模擬信號輸出，即它是一種把數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號的器件。以理想的4 bit DAC為例，其輸入有bit0 到bit3，其組合方式有16種。使用R-2R梯形電阻的4bit DAC在假定Vbit0到Vbit3都等于1V時，R-2R間的四個抽頭電壓有四種，分別為V1到V4。

采樣保持電路也叫取樣保持電路，它的定義是指將一個電壓信號從模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號時需要保持穩(wěn)定性直到完成轉(zhuǎn)換工作。它有兩個階段，一個是zero phase，一個是compare phase。采樣保持電路的比較器通常要求其offset比較小，這樣才能使ADC的精度更好。通常在比較器的后面需要放置一個鎖存器，其目的是為了保持穩(wěn)定性。

在采樣電壓快速變化時，需要用到具有FET開關(guān)的采樣與保持電路。當(dāng)FET開關(guān)導(dǎo)通時，輸入電壓保存在某個位置如C1中，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，電壓仍保持在該位置中進(jìn)行鎖存，直到下一個采樣脈沖的到來。ADC與DAC在功用上正好相反，它是模擬信號輸入，數(shù)字信號輸出，是一個混合信號器件。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC

ADC按結(jié)構(gòu)分有很多種，按其采樣速度和精度可分為：

多比較器快速（Flash）ADC；

數(shù)字躍升式（Digital Ramp）ADC；

逐次逼近ADC；

管道ADC；

Sigma-Delta ADC。

任何一種ADC的輸出都等于2的N次方乘以它的增益（輸入信號），再除以它的參考電壓。

每一種類型的ADC都各具特性，下面重點(diǎn)介紹前三種類型。

由圖2可以看出，不同的ADC有著不同的特性，對于Sigma-Delta ADC來講，其分辨率可以達(dá)到24bit以上，但其采樣速率比較低。逐次逼近型ADC比較適應(yīng)于中等采樣率、分辨率在16bit以下的應(yīng)用。管道ADC主要用于高采樣率的應(yīng)用，其分辨率則在16bit以下。多比較器ADC也是一種高速ADC，但因?yàn)槠潴w積和功耗較大、分辨率較低，目前應(yīng)用中很少使用它。

多比較器（Flash）ADC中用到的比較器很多，如一個8位的ADC就需要255個比較器。該類產(chǎn)品采樣速率確實(shí)很高，但因?yàn)槎鄠€比較器的存在，其功耗很大，而且管芯也較大。ADC0820、ADC1175等產(chǎn)品都是這種類型的ADC。

數(shù)字躍升式ADC是用連續(xù)搜索的方法獲得編碼，因?yàn)樗俾侍?、效率太低，因此很少使用?/p>

逐次逼近型ADC在逐次逼近的方法上分為兩種，以3比特采樣為例，它首先將基準(zhǔn)電壓分為7個比較電壓，使輸入信號同時與這7個電壓進(jìn)行比較，最接近的比較電壓是表示數(shù)值；第二種是將輸入電壓逐次接近電壓的二分之一、四分之一、八分之一等，順序產(chǎn)生比較后的數(shù)字信號。因?yàn)樽儞Q過程是將輸入信號與基準(zhǔn)信號比較，所以，基準(zhǔn)電壓必需是穩(wěn)定準(zhǔn)確的。輸入信號的最高電平應(yīng)保持穩(wěn)定，充分利用變換器達(dá)到高的分辨率。對于任何逐次逼近ADC，都有5個組成部分：第一部分是DAC，其中含有一個算術(shù)邏輯測試單元，會比較DAC的輸出和模擬信號的輸入，直到兩者接近；第二部分是輸出寄存器；第三部分是比較器，逐次逼近ADC僅含有一個比較器，所以功耗和管芯尺寸都比較小；第四部分是邏輯電路；第五部分是時鐘。有一個要求是：DAC的精度一定要高于ADC。逐次逼近型ADC因其功耗小、成本低、尺寸小以及性能等方面的優(yōu)點(diǎn)，成為了目前市場上最具成本效益的ADC，也是最常見的ADC。

逐次逼近ADC的工作原理是它首先得到最高的有效位，然后是第二個最高有效位，直到得到最后一個。ADCV08832是一個低功耗版本的器件，它的操作電壓較低。

ADC的若干應(yīng)用

第一個實(shí)際應(yīng)用的例子，是使用溫度傳感器LM19、ADC變換器來讀取溫度，通過USB接口送入筆記本電腦，見圖3。其演示板將很快提供。

第二個應(yīng)用是遠(yuǎn)程按鍵檢測，它是用ADC感測很多個按鍵的輸入，然后只有一路產(chǎn)生輸出，這樣可以節(jié)省很多個GPIO接口，實(shí)現(xiàn)起來非常方便，比如應(yīng)用在MP3上等，見圖4。

第三個應(yīng)用是電池放電。目前的手機(jī)無法看到電池還能支撐多少時間，沒有一個量化的概念。利用一個ADC便可以實(shí)現(xiàn)讓用戶知道手機(jī)電池還能支持多長的通話時間。應(yīng)用例子如諾基亞8250，見圖5。其演示板已可以提供。