電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠(yuǎn)）隨著5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子等新興應(yīng)用的崛起，高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)愈發(fā)常見。在一個高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，放大器、DAC、ADC這些都是必不可少的，ADC作為信號鏈核心，其重要性不言而喻。

高速ADC設(shè)計在架構(gòu)上不盡相同，每一種結(jié)構(gòu)在性能特性和可交換位兩方面都有不小的差異。不同結(jié)構(gòu)的分辨率、速度、復(fù)雜度對ADC的設(shè)計影響很大，高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)選擇什么樣的ADC是實現(xiàn)系統(tǒng)最佳性能的關(guān)鍵。

不同的高速ADC結(jié)構(gòu)

高速ADC結(jié)構(gòu)通常采用閃存、逐次逼近和分級比較三種結(jié)構(gòu)，這三種結(jié)構(gòu)因為特殊工藝和基本電路上有很多不同，因此在精確度、動態(tài)性能、窗口效應(yīng)、簡化性和成本上各有優(yōu)劣。

在所有高速轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中，上限最快的就是閃存結(jié)構(gòu)，又稱并行結(jié)構(gòu)，因為在閃存ADC中進(jìn)行的轉(zhuǎn)換只在單一方向上進(jìn)行，突出一個采樣速率的快，現(xiàn)在做高速ADC大多都采用這種結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)的ADC所有位的轉(zhuǎn)換同時完成，其轉(zhuǎn)換時間主取決于比較器的開關(guān)速度、編碼器的傳輸時間延遲等。閃存ADC的分辨率每高一位，其設(shè)計復(fù)雜程度以及成本都會大大增加。典型的8位分辨率下其成本已經(jīng)很高，現(xiàn)在也有超過10位分辨率的閃存轉(zhuǎn)換器，價格更高。閃存ADC分辨率每提高一位，內(nèi)部比較器數(shù)量就需要加倍，功耗隨著比較器增多而增大也是必然的。CMOS技術(shù)通常用來設(shè)計低耗高速的閃存ADC，因為CMOS比較器阻抗特性很高，但這種降低功耗的技術(shù)存在補償偏高的弊端。在閃存ADC高速轉(zhuǎn)換設(shè)計中有很多這種綜合考慮后的折中設(shè)計，想提高精確度，功耗和面積就不可避免地增加，減少功率耗散就需要適當(dāng)降低速度。

逐次逼近結(jié)構(gòu)，一個很流行應(yīng)用很廣泛的結(jié)構(gòu)，得益于它的性價比很高，能在成本范圍內(nèi)實現(xiàn)很高的轉(zhuǎn)換性能。采用這種結(jié)構(gòu)，ADC的性能變化范圍很大，分辨率可以從8位變化到16位，轉(zhuǎn)換速率可以從400ns變化到25μs。

逐次逼近ADC設(shè)計中雙極技術(shù)、CMOS技術(shù)和BIMOS技術(shù)都有應(yīng)用，分別對應(yīng)低噪高速、低耗高速等不同的電路。逐次逼近ADC結(jié)構(gòu)有一個不同于其他ADC結(jié)構(gòu)的特點，就是其ADC的線性度依賴于數(shù)模轉(zhuǎn)化器的線性度。精密DAC的發(fā)展相當(dāng)程度上給逐次逼近ADC帶來了不少好處，最明顯的好處就是就是逐次逼近ADC相對于其他結(jié)構(gòu)有更寬的溫度范圍。不過逐次逼近ADC在轉(zhuǎn)換信號前要求信號經(jīng)過調(diào)理，需要額外的增益級和濾波。

分級比較ADC當(dāng)轉(zhuǎn)換速率需要高分辨率時，轉(zhuǎn)換速率可以比逐次逼近要快得多，有著良好的低失調(diào)和線性，能夠大大簡化電路。但是分級比較ADC對電路工藝要求很高，電路設(shè)計得稍不合理就會影響增益的線性、失調(diào)和其他參數(shù)。

ADC市場發(fā)展

ADC屬于信號鏈模擬芯片，是模擬芯片的核心細(xì)分領(lǐng)域，近幾年全球信號鏈模擬芯片和轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品的市場規(guī)模在不斷擴大，作為轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品的核心部件，ADC的市場規(guī)模也在同步擴大。根據(jù)貝哲斯咨詢統(tǒng)計，2022年全球模數(shù)轉(zhuǎn)換器市場規(guī)模到達(dá)到了198.1億元人民幣，并預(yù)估到2028年市場規(guī)模將以年復(fù)合增長率5.48%的增速達(dá)到270.87億元。

根據(jù)Tech Insight的數(shù)據(jù)，當(dāng)前ADC芯片的主要下游需求為通信設(shè)備領(lǐng)域（35%以上）、汽車電子（22%）、工業(yè)（20%）、消費電子（10%）。其中高速ADC出貨量占總出貨量不到10%，但占據(jù)整個行業(yè)近50%的銷售額。

未來幾年，支撐ADC芯片增長的主要驅(qū)動因素是5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)傳感、汽車電子等新興領(lǐng)域，這些新興領(lǐng)域?qū)π盘柼幚淼男枨螅ㄋ俣?、精度、噪聲等）正在迅速提升?G是新興領(lǐng)域中的主要戰(zhàn)場。不光是5G基站，還是和5G相關(guān)的應(yīng)用產(chǎn)品，都需要大量的高速ADC芯片，單個5G基站的ADC芯片使用量就多達(dá)兩位數(shù)，5G市場對高速ADC的海量需求肉眼可見。

汽車電子也是一個可觀的ADC增量市場，智能駕駛系統(tǒng)中有不少ADC芯片的應(yīng)用。在電動汽車飛速發(fā)展的帶動下，汽車電子在整車中的成本占比越來越高，對高性能ADC的需求也很明顯。不同于工業(yè)級、消費級ADC，車規(guī)級ADC的門檻更高，性能、可靠以及安全功能認(rèn)證一樣都少不了，傳統(tǒng)的ADC大廠在這一塊優(yōu)勢巨大。

ADC市場格局一如既往的穩(wěn)定，ADI和TI兩大龍頭不論在技術(shù)實力、產(chǎn)品類別還是新品創(chuàng)新上都是絕對優(yōu)勢，占據(jù)著9成以上的市場份額。國內(nèi)隨著政策對集成電路產(chǎn)業(yè)的重視，近年來中國的芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，不少國產(chǎn)廠商展露頭角，推進(jìn)著ADC的部分國產(chǎn)替代。

各廠商高速ADC動向

TI：多類別高速ADC新品發(fā)布

過去一年，TI發(fā)布了15款不同料號的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，這還不包括一些針對具體應(yīng)用的集成AFE。這些高速ADC速率覆蓋從最小10MSPS到最高10.4GSPS，每個速率等級都有新品覆蓋。這些芯片配置上非常注重小型化，晶圓級芯片封裝簡化了整個器件的布局并能降低成本，讓這些高速ADC能適應(yīng)任何空間受限的應(yīng)用。

ADI：高速ADC進(jìn)一步提升整體性能

近一年ADI發(fā)布了21款A(yù)DC新品，其中高速ADC有2款。其中AD9213S高速ADC實現(xiàn)了動態(tài)范圍和線性度性能的結(jié)合，同時功耗進(jìn)一步降低。ADI采用專有校準(zhǔn)和隨機化技術(shù)，抑制了混入其本底噪聲的交錯式雜散偽像，并通過片內(nèi)擾動和校準(zhǔn)組合保持線性度性能，從而在各種輸入信號條件下帶來出色的無雜散性能。ADI在大幅提高數(shù)據(jù)吞吐量和帶寬的同時盡可能減小功耗和尺寸，展現(xiàn)了行業(yè)領(lǐng)先的技術(shù)實力。

芯佰微電子：針對雷達(dá)、電網(wǎng)應(yīng)用持續(xù)推出高速ADC

芯佰微的ADC多用于雷達(dá)系統(tǒng)、電網(wǎng)等領(lǐng)域，精度和速率覆蓋的范圍較廣，旗下高速ADC采樣率最高可覆蓋至1.5GSPS。該料號產(chǎn)品采用了時間交替模式，因此達(dá)到了達(dá)到兩倍的采樣率。目前芯佰微的高速ADC在激光雷達(dá)上有不少應(yīng)用。


迅芯微電子：主攻超高速

蘇州迅芯微電子主攻超高速，主要做6至14位分辨率的高速ADC，在高速這一領(lǐng)域上處于國內(nèi)領(lǐng)先的位置。旗下高速ADC采樣速率有2GSPS、10GSPS，最高達(dá)到30GSPS，精度在6bits-8bits之間。在國內(nèi)超高速ADC領(lǐng)域內(nèi)，迅芯微電子器件有不錯的技術(shù)優(yōu)勢，目前在往集成化ADC芯片開拓。

芯熾科技：3GSPS高速ADC新品發(fā)布

芯熾科技旗下有不少高速ADC產(chǎn)品，此前最高采樣率可以做到1GSPS。2022年8月初，芯熾科技展示了一款型號為SC10D9501的低功耗高性能ADC，分辨率10bit，單通道可以實現(xiàn)3GSPS采樣率，是一次不小的突破。

小結(jié)

做ADC需要深厚的技術(shù)積累，同時還要不斷迭代、磨煉，這些都并非易事。如何在提升采樣率的同時盡可能減小功耗和尺寸，是每一個ADC廠商都在攻克的課題。隨著新興領(lǐng)域?qū)Ω咚貯DC需求的提升，肯定會帶動國內(nèi)高速ADC產(chǎn)品的加速突破，這一點值得期待。