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ADC模拟的全面解读

已有 240 次阅读2021-11-25 14:33 |个人分类:IC设计、IC验证|系统分类:芯片设计| ADC模拟

ADC是什么?


自然界产生的各种信号,都是模拟信号,比如人们说话的声音,眼睛看到的景色,身体感受到的温度、湿度、压力、流速、光、电、风以及每个人的呼吸、血压、体温、心跳、体重、血糖,体脂等等,都是一个连续的量。而对于连续信号,我们必须有一个通用的标准去测量它们,这样就出现了尺子,温度计等。这些测量工具通过把现实生活中的连续信号转换成了离散信号,给了我们一个数据,用以比较两者的关系。这些模拟信号最终都需要放在电脑、手机等数字领域设备进行处理、存储或者传输,那么如何把模拟信号转换成数字信号呢?这就需要一个转换器芯片,它就是芯片界的翘楚—ADC!


ADC (模拟数字转换器)是连接模拟世界和数字世界的关键接口。它的核心作用就是把模拟世界的连续信号,转换成数字世界的离散信号,然后让计算机处理。因此是连接到现实世界的任何电子系统的基本部件。它们也是决定系统性能的关键因素。



多年来,成功崛起的三种ADC拓扑结构是逐次逼近寄存器 (SAR)、三角积分 (S-D) 和流水线ADC。这三种ADC拓扑结构截然不同,以便在不同的频率范围内工作,服务于从低频传感器应用到更高频率的LiDAR或卫星通信等所有领域。


SAR ADC是第一种成为主流的转换器。随着时间的推移,这种转换器拓扑结构出现在各种应用中,包括过程控制、医疗和早期数字音频系统。这些应用受益于SAR ADC的8位至20位输出转换范围。但是,SAR ADC赖以成名的原因是它会捕获模拟输入信号的快照,并使用多个信号快照来绘制一段时间内的图像。


作为一个芯片硬件工程师,

如何判断ADC芯片性能好坏呢?  


如何判断芯片性能好坏可以从几个指标着手:


精度、也称为分辨率(Resolution),单位(Bits)比特;精度越高的ADC转换出来的数字信号越接近于原来真实的模拟信号;另一方面,该精度只表示ADC

输出的位数,不代表这些位数里真正的信号分量。

采样速率(Input Sampling Rate)单位是SPS,如果ADC的采样频率是Fs(Hz),那么它可以转换的模拟信号带宽至多是Fs/2(Hz)。比如1Msps代表着1M Samples Per Second,对应的ADC的采样频率就是1MHz,可以转换的模拟信号带宽至多是1/2MHz。

功耗 Power Diss 单位 mW;

噪声 Chip Noise 单位 Vrms 均方根;

温漂 Temperature Drift 单位 ppm/℃;

实际精度 ENOB ADC 输出的信号位数 单位 比特;

信噪比 SNR 单位分贝;


ADC芯片朝着减小功耗的方向前进,以功耗、分辨率、采样速率、噪音作为确定品质因数的依据;这一挑战在移动通信领域应用中尤为突出。



目前ADC芯片的存在形式多种多样,

1. 传统封装片、集成电路;

2. ADC IP存在于各种SOC芯片中;

3. ADC集成模拟芯片(SIP),存在于各类数字传感器芯片

……


目前ADC的市场前景如何?


目前国际上ADC/DAC市场份额分别被ADI、TI、MAXIM、MICROCHIP等国外企业独占,其中,ADI市占率约为58%,TI占比约为25%,MAXIM占7%,MICROCHIP占3%,难觅国内企业身影。

据相关数据显示,2017年ADC芯片销售额为545亿美元,预计到2022年,全球ADC芯片市场规模可达748亿美元,市场前景非常可观。



未来几年支撑ADC芯片增长的主要驱动力是5G、人工智能、物联网、汽车电子等新兴应用,这些相关的产品或技术对信号处理的需求大涨。中国模拟芯片市场占全球模拟芯片市场比例超过50%,且市场增速高于全球平均水平,按具体功能分,ADC/DAC市场规模占模拟电路市场份额比例达15%,所以大概推断出国内2022年ADC/DAC市场规模为56.1亿美元(约393亿人民币)。

ADC芯片龙头企业—ADI;我们主要从ADI关键财务数据剖析。数据来源:ADI官网公布的2019年年度报告(单位:千美元)。

1. 收入、毛利率和进利率总览:产品平均毛利率超过60%;

2. 收入-按区域:源自于中国地区收入占ADI总收入的35%;

3. 收入-按应用领域:ADI在全球市场的业务布局广泛,主要以模拟信息的感知、测量、连接、电源、解译、安全;


这六大核心处理技术,全方位地布局工业自动化、通讯、汽车和消费电子与医疗等产业。根据ADI刚公布的2019财报,工业应用领域占据半壁江山。


我们是否可以自己设计

和生产ADC芯片?


其实国产ADC芯片发展面临的重重困难:

1. 国内大学模拟集成电路的教育水平比较低。

2. 在美国,由于瓦森纳协定的限制,华人难以进入ADI/TI等公司最核心的ADC产品研发部门;在中国研发中心,国内工程师可以通过网络看到绝大部分母公司的设计,但绝对看不到高端的ADC产品设计。

3. 芯片设计,不算架构设计,从电路设计开始,到投片,最少要半年时间。投片送到晶圆工厂流片生产,一般要2个月到3个月。最重要的是一次投片的费用最少也要数十万元,先进工艺高达一千万到几千万。如此高的试错和时间成本对一次成功率的要求极高,不得不把流程拖长,反复验证,需要多个工种密切配合,团队中一个人出错,3个月后回来的芯片可能就是一块儿石头。修改一轮,又三个月过去了。

4. 对于研发ADC芯片的初创公司,动则50-60万薪起的模拟芯片研发工程师薪水;如果没有强有力的资金支持,进军ADC芯片就如同进入一个不断挑战的“巨坑”。再加上ADC芯片业更新换代很快,如果不能在特定时间内拿下产品,就赶不上市场的节奏,让企业难以支撑。

而对于中国公司来说,想研发出高性能,低功耗的ADC芯片,没有数十年的积累和持续投入,基本都是在划水!

5. 集成电路也可反向设计,就是抄,虽然芯片很小,电路密度极大,但仍然可以通过显微、照相等方式获得他的全部版图信息,然后复制一份,送到工厂生产,似乎看起来就可以得到一模一样的产品了。其实不然,版图相当于软件编译后的机器代码,可读性很差,无法了解其原理和架构。而版图提取本身存在物理误差和人为错误,尤其对于高性能的模拟混合信号ADC芯片,对工艺又非常敏感,稍有不一致都可能导致芯片性能和良率的巨大差异。而此时设计人员无法了解原理,定位错误犹如一个盲人在大海里捞针。军工研究所普遍采用这种方法,每次反向犹如一场赌博,有时候能做出来最好,一旦出现问题,基本束手无策。

所以多年下来,除了电路比较简单的射频和功放芯片,就算上述高性能ADC等关键器件反向设计成功,但能量产的例子寥寥无几。

6. 在自然界,动植物要生存,必须融入生物链。做企业也一样。只不过,在企业这个生态链中,先行者有成本优势,再加上稳定可靠的供应链,使得他们能够持续盈利,进而支撑着技术的不断进步。同时在供应链渠道通畅的时候,各种关系相互利益,做国产替换的工作非常艰难。对后来者而言,如同一道不可逾越的壁垒。好多科研院所的ADC芯片军用很出彩,民用却卖不出去?问题就在生态链上。军用市场是一个封闭的小圈子产品追求性能、稳定性和抗干扰,对功耗、噪声等及价格并不敏感,国家队ADC公司在这里能找到自己的位置。而在民用市场,性价比为王,对噪声,功耗要求极高,技术升级快和供应链响应快,国家队很难融入这样的生态链。

这些年,中国半导体产业面临的一大难题,就是如何融入这个生态链。


国内在ADC芯片领域

做出了哪些改变?


国内做ADC的企业其实也不少,归纳起来有三类群体

第一类是国家骨干研究所(企业)

第二类是国内高校大学教授及硕博士学生

第三类是外企海归团队



高校是人才最大的输出口,目前国内有培养微电子人才能力的学校基本结构是:10+17+2


10 代表着国内目前有示范性微电子学院的高校:清华大学,北京大学,上海交通大学,复旦大学,浙江大学,东南大学,中国科学院大学,中国科技大学,西安电子科技大学,电子科技大学。这10所大学代表了目前内地在微电子方面最为强悍的高校。

17 代表着目前正在筹备建设示范性微电子学院的高校,大部分都是985高校,包括,华中科技大学,同济大学,中山大学等,211的几所大学如合肥工业大学,北京工大在微电子方面也展现着不俗的实力,今年深圳新贵南方科技大学也成功加入联盟。

代表着港澳的2所高校,香港科技大学和澳门大学。香港科技大学作为顶级工科名校,在集成电路设计方面有着世界公认的硬实力,师资力量也是无比强大,基本上都是早年毕业于美国的顶尖名校,堪称大中华第一。


2000年前后,国家利用人才政策吸引了很多海关留学人员归国创业,这些海归博士一开始也许想做工业级产品,关键的CPU等,但很快发现产业环境不合适。

那时候中国的的整机还没有强大到今天华为,小米,OPPO,VIVO等地位,市场容量小,技术可靠性要求高,设计周期长;这批海归博士的企业都是靠消费类市场和06年之后一波山寨手机热潮完成的原始积累,进入良性循环。然而没有跟上这一波潮流的企业都还在艰难的生存。



在5G时代,高速高精度的ADC是5G基站不可或缺的芯片。目前进口的国外ADC芯片单价都在千元以上,单个5G基站的ADC芯片使用就高达两位数。可见未来国产ADC的使用空间巨大。



怎么去赶上这个发展机遇?


政策面:在美国政府和特朗普政权强力制裁以华为为首的中国高科技企业的大前提下,芯片的争夺和发展成了重中之重。8月24日习近平总书记强调长三角三省一市要集合科技力量,聚焦集成电路、生物医药、人工智能等重点领域和关键环节,尽早取得突破。2020年7月30日,在国务院学位委员会会议上,投票通过了设立集成电路一级学科,上海复旦大学已经开了第一枪。有望弥补30万集成电路人才缺口。


而中科大与在合肥市的成功模式,让各级政府、高校及高新科技给城市未来带来的新时代机遇。


资金:国家成立了国家集成电路大基金一期,二期等,全力支持芯片的发展。社会上有关芯片生态产业的投资成了当下最大的热门。各级政府都在当地建设集成电路基金和芯片相关的上游产业投资。


生态:国产替代已经成为了热门词汇。在瓦森纳协定和美国特朗普政府的深度制裁造成国内很多的知名大客户在无芯可用的情况下,在ADC芯片的使用上面不得采用国产替代。在台积电突破7nm,中芯国际突破14nm的今天,国产高端ADC晶圆流片不再是一堵高墙。同时在瓦森纳协定和美国特朗普政府的深度制裁造成国内很多的知名大客户在无芯可用的情况下,在ADC芯片的使用上面不得采用国产替代。


目前美国占据了全球半导体市场的半壁江山,拥有明显的领先优势。那么一再对华实施芯片出口限制,到底有多大作用?美方还能确保自己的市场优势吗?

毕竟中国是全球最大的芯片消费市场。最近,美国智库波士顿咨询公司就发表了自己的研究报告,指出限制对华出口芯片,可能会终结美国在半导体产业的统治地位。





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