ADC（Analog－to－Digital Converter，模擬數字轉換器）被贊譽為芯片皇冠上的明珠，進入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步提升。并且，在將近40年的發展歷程中，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，功能更強大的設備，同時為其打造更強大的續航能力。蘋果、三星等企業之所以能奇跡般的完成這一目標，重點就在于全世界各地的工程師和研究人員正在設計越來越節能的高速傳輸芯片。
近日，來自楊百翰大學的研究團隊研究出了世界上最節能的高速模數轉換器（A／D轉換器，簡稱ADC）。ADC是Analog－to－Digital Converter的縮寫，也就是模／數轉換器或者模擬／數字轉換器。是指將連續變量的模擬信號轉換為離散的數字信號的器件，就是一個取樣、量化、編碼的一個過程。
楊百翰大學的研究團隊于2021年2月將這一成果發表在《IEEE固態電路》雜志上。資料顯示，這項研究耗時4年（3年設計芯片，1年測試芯片），來自國立陽明交通大學、加州大學洛杉磯分校的研究者共同參與了本次研究。
楊百翰大學教授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，當前ADC每10GHz需要消耗數百毫瓦或瓦級別的功率。這一研究也創下了世界上ADC的最高能效紀錄。
“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。”
通信系統設備內越來越高的帶寬，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電路的關鍵部分DAC（ADC的完全相反的核心部分：數模轉換器）出發。他們通過調整電容器平行板的面積和間距來減少DAC的負載，使得轉換器更快、更高效。
此外，研究者采用與傳統方式不同的方式對單元電容進行分組，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設計與時序圖
通過自舉開關使其成為雙路徑后，可以對每個路徑進行獨立優化。這種方案不僅可以提高速度，還可以節省成本，不需要額外的硬件，因為它拆分了現有設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，FoM 為37fj／conv－step，刷新了世界上的最低功耗紀錄。
Wood Chiang認為，這項工作推動了一切的發展，將為消費者帶來很多便利。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備，甚至是可植入設備之類的東西。
此外，Wood Chiang還表示，“該設備需要復雜的設計和驗證，以確保轉換器中的所有數千個連接都能正常工作。這就像建造一個小城市。這個項目有很多細節。設計中的一個錯誤至少要花一年的時間才能糾正，因此團隊很高興沒有犯任何錯誤。”
模擬芯片皇冠上的明珠，ADC有哪些關鍵指標？
眾所周知，信號鏈芯片主要包括放大器、數模轉換、接口等品類，其中轉換器屬于其中技術壁壘最高細分品類。轉換器是由模擬電磁波轉換成0101比特流最關鍵的環節，具體又可以分為ADC和DAC兩類，ADC作用是對模擬信號進行高頻采樣，將其轉換成數字信號；DAC的作用是將數字信號調制成模擬信號。
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環節的精密配合。
ADC關鍵指標包括“轉換速率”和“轉換精度”，其中高速高精度ADC壁壘最高。數據轉換器主要看兩個基本指標，轉換速率和轉換精度。
轉換速率通常用單位sps（Samples per Second）即每秒采樣次數來表示，比如1Msps、1Gsps對應的數據轉換器每秒采樣次數分別是100萬次、10億次；轉換精度通常用分辨率（位）表示，分辨率越高表明轉換出來的數字／模擬信號與原來的信號之間的差距越小。高性能數據轉換器需具備高速率或高精度的數據轉換能力。
（各種類型ADC的速度與精度關系 資料來源：芯力特官網）
數據轉換器的速率和精度指標往往是相互制約、此消彼長的關系，例如亞德諾目前最快的商用模數轉換器的轉換速率為26Gsps，但其分辨率僅為3位，而具有24位分辨率的模數轉換器的轉換速率僅為26Msps。
根據這兩大指標，ADC可以分為高速高精度、低速高精度、高速低精度以及低速低精度四種類型，其中高速高精度壁壘最高。
國內外ADC產業發展現狀：進口廠商主導
ADC芯片的產業鏈和半導體產業的一樣，其產業鏈龐大而復雜，可以分為：上游支撐產業鏈，包括半導體設備、材料、生產環境；中游核心產業鏈，包括 IC 設計、 IC 制造、 IC 封裝測試；下游需求產業鏈，覆蓋工業、通信、消費電子、航空、國防及醫療等。
數據統計顯示，2019年全球轉換器市場規模接近36億美元，預計未來4年CAGR近10％。隨著5G基站、IoT等驅動ADC需求落地，預計2023年全球轉換器芯片市場空間有望擴張至近50億美元。
從格局分布來看，全球模擬芯片行業格局相對分散，美歐大廠處于領跑地位。由于模擬芯片具有品類豐富、產品系列深等特點，各細分產品規模小、市場間跨度大，因此全球市場整體呈現分散的格局，頭部廠商難以取得壟斷優勢。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、客戶資源、品牌等方面的積累，目前在全球范圍內仍處于領跑地位。
國內ADC產業發展仍處在追趕狀態。1996年，以西方為主的33 個國家在奧地利維也納簽署了《瓦森納協定》，規定了高科技產品和技術的出口范圍和國家，其中高端ADC 屬于出口管制的產品，中國也屬于受限制的國家之一，禁運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，進一步加速國內模擬芯片領域的國產替代節奏。聚焦ADC領域，全球主要供應商仍是TI、ADI為首的幾家國際大廠，而高性能ADC在軍用領域、高端醫療器械以及精密測量等領域起著至關重要的作用，因此ADC技術的國產替代對于我國各下游產業的發展意義重大。自華為事件以后，國內的設備廠家逐漸開始采購國產ADC芯片。
目前，國內比較成熟的ADC廠商有：
芯海科技
芯海科技成立于2003年9月，是一家集感知、計算、控制于一體的全信號鏈芯片設計企業，專注于高精度ADC、高性能MCU、測量算法以及物聯網一站式解決方案的研發設計。產品及方案廣泛應用于智慧健康、壓力觸控、智慧家居感知、工業測量、通用微控制器等領域。
蘇州云芯微電子
蘇州云芯微電子創辦于2010年5月，公司致力于高速高精度數模混合集成電路芯片（ADC／DAC）和集成中射頻、模擬、數字功能等集成芯片（SOC＆SIP）的設計、開發、生產及銷售，并提供相關技術咨詢和技術服務，是工信部認證集成電路設計企業、江蘇省高新技術企業，擁有20多項發明專利和實用新型專利，以及多項集成電路布圖設計登記和軟件著作權登記。
蘇州迅芯微電子
蘇州迅芯微電子有限公司成立于2013年，座落于蘇州工業園區，以集成電路及軟硬件系統的設計、研發、銷售為一體，并提供其技術咨詢及技術服務。團隊成員在超高速數據轉換器（ADC／DAC）芯片、高速串并／并串轉換（DEMUX／MUX）芯片，以及微波單片集成電路（MMIC）領域具有豐富的研究經驗，成功研發出多款具有國內領先、國際先進水平的超高速數模混合電路芯片。
北京時代民芯
北京時代民芯成立于2005年，為航天微電子資源而成立的公司，現為航天電子技術股份有限公司（股票代號600879）的全資子公司。該公司出售的高速ADC芯片有兩款，一款是精度8bit，速度800MSPS，另外一款是精度8bit，速度1．3GSPS。前者具有抗輻射的功能，所以速度相比于后者有所犧牲。后者的規格又剛好卡在美國管控的ADC芯片性能上面。
上海貝嶺
上海貝嶺成立于1988年，是國內集成電路行業的第一家中外合資企業，地處上海市漕河涇新興技術開發區，擁有國家級企業技術中心。公司專注于集成電路芯片設計和產品應用開發，是國內集成電路產品主要供應商之一。公司重點發展消費類和工控類兩大產品板塊業務，目前集成電路產品業務細分為電源管理、智能計量及SoC、非揮發存儲器、功率器件和高速高精度ADC等5大產品領域，主要目標市場為電表、手機、液晶電視及平板顯示、機頂盒等各類工業及消費電子產品。
中電集團24所
中電集團24所是我國唯一的模擬集成電路專業研究所，同時也是我國高性能模擬集成電路設計開發和生產的重要基地。主要產品有：ADC／DAC轉換器、高性能放大器、射頻集成電路、驅動器、電源以及汽車電子等，并廣泛應用于航空航天、衛星定位、雷達導航、自動控制、汽車和通訊等領域。ADC這條線的產品相比于上面幾個公司要豐富，明面上一共展示了16款產品，精度覆蓋8bit－16bit。
