中国adc 中国ADC水平究竟如何？

目前，中国集成电路产业正在追赶世界先进水平。除了CPU、GPU、DSP、FPGA等核心处理器之外，在高性能的ADI方面，我们还是处于后学者的角色。ADC/DAC是模数混合IC，是模拟世界和数字世界之间的桥梁，技术含量很高。

ADC和DAC，尤其是超高速芯片，是未来100G光通信、4G/5G基站、测试测量仪器设备、数字雷达等应用领域的核心器件，具有广阔的应用和发展空。

工作原理和分类

ADC的任务是将模拟信号转换成数字信号。其性能指标分为两类。一个是动态指标，主要包括:采样率、分辨率、转换率、无杂散动态范围、信噪比、总谐波失真等。其中采样率决定了ADC每单位时间采样的数据量，分辨率决定了它。二、静态指标，主要包括:失调/增益误差、微分非线性、积分非线性等。

根据架构的不同，ADC可以分为Flash、SAR、Pipeline、σ -δ和混合架构。为了与速度、精度和功耗兼容，混合架构成为研究热点。

DAC的任务和ADC正好相反，ADC就是把数字信号转换成模拟信号。其主要指标也分为动态和静态。DAC的架构主要包括电阻串型、电荷分配型和电流舵型，其中分段电流舵型是高速高精度DAC的首选架构。

制造工艺

模数转换器和数模转换器的制造工艺主要包括互补金属氧化物半导体、GaAs HBT和硅锗双金属氧化物半导体。其中CMOS具有易于与数字电路集成、截止频率高、功耗低的优点；GaAs HBT击穿电压高，但功耗高。SiGe BiCMOS具有较高的截止频率和抗辐射能力，但缺点是功耗高。

总体来说，CMOS技术在功耗和集成度方面有优势，SiGe BiCMOS在提高采样率和抗辐射方面有优势。

市场结构

目前全球ADC和DAC市场主要被ADI、TI、MAXIM、MICROCHIP等几家大型跨国企业垄断。其中，ADI的市场份额最高，约为58%，TI约占25%，MAXIM占7%，微芯片占3%。

随着应用需求的增加，市场对高速模数转换器和数模转换器的需求越来越多。这里的高速指的是采样率≥1Msps。从统计数据来看，只有6%的高速数据转换器出货量创造了近50%的行业销售额。

R&D历史和现状

随着应用和技术的发展，ADC和DAC也呈现出更加清晰的发展趋势。高采样率、高分辨率、低功耗是未来超高速ADC和DAC的发展方向。在ADC中，采样精度和速度是相互制约的，大致符合1比特或6dB/倍频的规律。

目前超高速ADC和DAC已经成为各大公司和知名研究所的重点研发项目，投入了大量的人力和财力。

图:ADC和DAC芯片研发历史和现状

ADC方面，日本富士通在2011年开发了64Gsps和8位产品，IBM在2014年开发了使用32nm SOICMOS工艺的90Gsps和8位产品。作为该领域的主导企业，ADI在2017年开发了10Gsps和28nm的12位产品。这里，在保持高采样率的同时，

由于模数转换器是测试测量仪器的核心设备，大多数仪器制造商采用自行开发模数转换器的方法来满足测试测量仪器的特殊要求。2017年，Keysight开发了8Gsps和10bit产品，采用28nm工艺。

在示波器中，精度和速度总是矛盾的，总是相互制约的，也就是说，ADC的位数和仪器的带宽之间总是有一个取舍。对此，LeCroy区域销售经理Scott Zhang表示，他们正在从8bit向12bit迈进，因此，公司投入了大量的财力和人力来研发相关的ADC。由于示波器使用的ADC不同于一般ADC产品，大部分都是示波器开发的，因为一般ADC的采样率很难满足示波器的需求。

与国际高水平产品相比，我国ADC还有2~3代的差距，仍处于追赶阶段。目前国内该领域的龙头企业和研究所有:复旦大学，2011年研发了1Gsps和7bit产品；中电集团24在2011年开发了2Gsps和8bit中科院微电子所2016年研发32Gsps和6bit时代民信2013年研发了3Gsps和8bit，推出了1Gsps和12bit ADC2016年；最新的研究成果是，2018年，中国科学院微电子研究所成功研制出10Gsps、8位ADC。

除了上述企事业单位，华为海思康也在做DAC/ADC芯片的研发，但有些神秘，产品和技术信息有限。

另一家本土企业苏州云新伟的研发工作存在一定争议，其产品精度较高，包括12位、14位和16位，与市场上广泛使用的ADI主流产品兼容性较好。

在DAC方面，国际先进企业主要有:EUVIS，2010年开发8Gsps和12bit产品；NTT公司于2011年推出60Gsps和6bitCiena公司2011年开发了56Gsps和6bit日本富士通也在2011年推出了65Gsps和8bit产品；行业龙头ADI公司于2017年研发出一款采用28nm工艺技术、精度高的AD9172，达到12Gsps和16bit。

国内整体水平与国际先进企业还有2~3代的差距。龙头企事业单位主要有:中科院半导体所、量子微电子所、中科院微电子所、复旦大学等。

市场需要高性能和新技术

为了满足市场应用的需求，世界各地的相关企业和研究机构加大了对高速ADC和DAC的研发投入，以创造更新更好的性能技术和架构，如多通道时间交错ADC架构和分段电流导向DAC等。目前，先进的微纳半导体技术和创新的系统架构设计是业界发展超高速ADC和DAC的主流路线。

要创新，就要克服各种障碍和挑战。目前超高速ADC和DAC都是为了实现以更高的采样率和更高的精度为代表的高性能，这就需要在技术层面上解决两大问题:一是电路架构，二是设计方法。

在电路架构层面，就是如何提高电路的采样率。在模数转换器中，行业正在解决多通道并行采样技术的难题，而在数模转换器中，需要良好的高速高线性设计技术。

目前业界正在研究超高速ADC的时间编织技术，多通道时间交错ADC是实现高采样率的主流架构。该技术的主要挑战在于通道间的不匹配对时间交错式ADC的性能有很大影响，如信噪比和SFDR的恶化、输出频谱的大杂散、分辨率差、ENOB降低、输出波形的失真和抖动。因此，通道间失配的校准是实现TI_ADC架构的关键技术。

对此，中科院微电子所高频高压中心研究员吴进给出了解决方案:基于FPGA可以进行数模混合校正，为单片时钟交错ADC的研究提供了设计支持。其优点是算法灵活，硬件成本低，缩短了单片时钟交错模数转换器的研发周期。

据报道，用这种方法实现了芯片级双通道时间交错的4Gsps和8位ADC，在国内同时处于领先地位。当然，与国际高水平产品相比，还是有明显差距的。

在接受半导体行业观察员采访时，他在国内模拟电路理论研究方面取得了很大的成就。Xi交通大学电气工程学院的杨建国教授说，他研究ADC多年，拥有一项特殊的ADC专利，并采用了一种新的架构。

根据杨建国教授的说法，传统的模数转换器是等时采样，并且有采样率的概念。但是，他的ADC不是这样的。它的数据采集过程是记录曲线不同位置的点，这些点可以由X轴和Y轴确定。传统ADC的核心是默认X等增量递增，只记录Y值。他的ADC纵轴上画了很多网格。当它穿过这个格子又穿过另一个格子的时候，就定时了。如果没有信息，就会被忽略。他称这个ADC为转置ADC。这款ADC的突出特点就是采集的信息不用压缩，因为没有信息就不会采集。如果收集的话，肯定是有用的信息，没必要压缩。此外，该架构可以数字脉冲的形式传输模拟量，模拟量在时间轴上，有可能突破现代ADC在纵轴上的瓶颈。比如讨论0.8微伏的噪声电压时，纵轴上不能再低了，但时间轴上的时间分辨率更高了。这可能是超高速数据转换器的另一个发展方向。

杨建国教授说，他的模数转换器架构与传统架构完全不同。模拟信号通过光传输，可以直接恢复模拟信号和音频信息。此外，在隔离应用中，这种架构的ADC可以突破模拟信号的频率约束。

在设计方法层面，需要解决信号完整性问题，行业引入微波电磁场分析方法。器件和电路的关键在于对信号传输机制和耦合机制的理解和应用，如下图所示。

资料来源:中国科学院微电子研究所

吴进认为，为了解决这个问题，可以通过建立器件全波分析平台来实现模拟电路的全场分析，通过建立广义信号分析网络和“整体分析、局部优化”的信号分析方法来解决信号完整性问题。

采用场路结合的分析方法可以研究高频关键路径的信号完整性，基于微波传输和匹配理论可以建立超高速数据转换器的设计平台。在该平台上，可以进行电磁联合仿真，更准确地提取关键路径的寄生参数，从而在仿真和理论研究的基础上获得设计规则。

通过上述设计方法，可以提高DAC的性能，消除ADC的输出误码，也可以提高性能。

目前，国内有55家研究所正在研究超高速ADC的先进技术和架构，包括中电、清华、复旦和中科院微电子所。

从事超高速DAC研究的有中电、复旦、中科院微电子所等24家。比如复旦大学在2013年开发了CMOS 1Gsps和12位DAC，中科院微电子所也在2013年开发了基于SiGe的10Gsps和8位DAC。

综上所述，ADI、TI等国际大企业一直走在数据转换器行业的前列，引领发展趋势。此外，高性能测试和测量仪器制造商也有自己的ADC R&D团队，并不断推出高水平的专用产品。相比较而言，中国的技术水平和市场影响力还是很有限的，但是我们的市场和应用空是巨大的，数据转换器是连接真实模拟世界和虚拟数字世界的桥梁，关键参数很多，相应的技术发展也是无穷无尽的，需要不断努力。

正文/半导体行业观察张健

*本文最初由微信官方账号半导体产业观察创建。想转载请加微信号:icbank_kf01，或者在微信官方账号后台回复关键词“转载”，谢谢。

今天是《半导体工业观察》第1792期。请注意。