國產模數轉換 ADC 芯片的現狀、困境和歷史機遇

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2022-03-17 07:04:18 5

自然界產生的信號，都是模擬信號，比如我們說話的聲音，看到的景色，感受到的溫度、濕度、壓力、流速、光、電、風及個人的呼吸、血壓、體溫、心跳、體重、血糖，體脂等等。

這些模擬信號都得最終放在電腦，手機等數字領域進行處理，存儲或者傳輸，那如何把模擬信號轉換成數字信號呢？就需要一個轉換器芯片，它就是芯片界的翹楚—ADC！

ADC芯片就是Analog Digtal Convert模擬數字轉換的芯片

從模擬信號轉化為數字信號，轉換的過程信號處理要經過采樣，保持，量化，編程四個階段。根據不同的處理方式，有七種結構及其應用場景：

Falsh,(Half-Falsh)

Folding(折疊型）,

Sigma-Delta（Σ-δ），

SAR（逐次逼近型）,

Pipelined（流水型）,

未知結構。

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1、FLASH & Half- FLASH ADC由于其并行結構具有最高采樣速率可達10GSps以上，但是由于非線性使其分辨率限制在8位以內，可用于示波器等產品。

2、Folding采用折疊型等結構的高速ADC，可以實現比FLASH稍高的精度和差不多的速度，可應用于廣播衛星中的基帶解調等方面。

3、∑-Δ型 ADC主要應用于高精度數據采集，特別是傳感器、數字音響系統、多媒體、地震勘探儀器、聲納等電子測量領域，采集精度可達24比特。

4、SAR ADC逐次逼近型，主要應用于中速或較低速、中等精度的數據采集和智能儀器中。具有最寬的采樣速率，雖然它不是最快的，但由于低成本和低功耗使其很受歡迎。SAR ADC同時也可以達到16比特的精度。

5、PipeLined流水線型ADC主要應用于高速情況下的瞬態信號處理、快速波形存儲與記錄、高速數據采集、視頻信號量化及高速數字通訊技術等領域，當前設計速度可以達到Gsps。它們非常適合例如無線收發器應用和軍用等高性能要求的應用。

針對各種的ADC芯片，如何快速區分和了解ADC芯片的性能的好壞呢？

從幾個指標著手：

1、精度、也稱為分辨率（Resolution），單位(Bits)比特；精度越高的ADC轉換出來的數字信號越接近于原來真實的模擬信號；另一方面，該精度只表示ADC

輸出的位數，不代表這些位數里真正的信號分量。

2、采樣速率（Input Sampling Rate）單位是SPS,如果ADC的采樣頻率是Fs（Hz），那么它可以轉換的模擬信號帶寬至多是Fs/2（Hz）。比如1Msps代表著1M Samples Per Second,對應的ADC的采樣頻率就是1MHz，可以轉換的模擬信號帶寬至多是1/2MHz。

3、功耗 Power Diss 單位 mW；

4、噪聲 Chip Noise 單位 Vrms 均方根；

5、溫漂 Temperature Drift 單位 ppm/℃;

6、實際精度 ENOB ADC 輸出的信號位數單位比特；

7、信噪比 SNR 單位分貝;

ADC芯片朝著減小功耗的方向前進,以功耗、分辨率、采樣速率、噪音作為確定品質因數的依據；這一挑戰在移動通信領域應用中尤為突出。

目前ADC芯片的存在形式多種多樣，

1、傳統封裝片、集成電路；

2、ADC IP存在于各種SOC芯片中；

3、ADC集成模擬芯片（SIP），存在于各類數字傳感器芯片。

什么是高端ADC芯片呢？

簡單來說，它是區別于消費電子市場的ADC芯片，主要應用在軍工、航空航天、有線無線通信、汽車、工業和醫療儀器（核磁共振、超聲）等對工藝、性能、可靠性要求極高的領域.每個電子系統都需要ADC芯片，而且ADC芯片設計的技術門檻很高。

1996年，以西方為主的33個*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*，其中高端ADC屬于出口管制的產品，中國也屬于受限制的*之一，禁運范圍主要是精度超過8位1.3Gsps以及16位以上速度超過65MSPS的ADC。

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1、每一臺國產示波器，使用的ADC芯片都需要美國政府的同意才能進口，同時要承諾不被轉用軍事用途。

2、在相控陣雷達里面，高速度ADC芯片都是必需品，只能通過第N方渠道轉道加價獲得。

3、在中興、華為出產的通訊基站，電路板上除了幾顆數字基帶芯片是自產的，其他通信鏈路上RF、PLL、ADC/DAC乃至外圍測量電源電壓的芯片都見不到國產供應商的身影。

4、一些技術含量很高的關鍵器件高速高精度ADC/DAC等領域，還完全依賴美國供應商。

5、GS/s高精度的模數轉換器（ADC）是5G通訊建設中高性能基站的核心器件，也是反導相控陣雷達中所需的關鍵模塊，更是“瓦森納協議”所禁運管控的核心器件，長期以來被國外公司所壟斷，突破GS/s高精度ADC的技術壁壘迫在眉睫。

目前國際上ADC/DAC市場份額分別被ADI、TI、MAXIM、MICROCHIP等國外企業獨占，其中，ADI市占率約為58%，TI占比約為25%，MAXIM占7%，MICROCHIP占3%，難覓國內企業身影。

據相關數據顯示，2017年ADC芯片銷售額為545億美元，預計到2022年，全球ADC芯片市場規?？蛇_748億美元，市場前景非?？捎^。

未來幾年支撐ADC芯片增長的主要驅動力是5G、人工智能、物聯網、汽車電子等新興應用，這些相關的產品或技術對信號處理的需求大漲。中國模擬芯片市場占全球模擬芯片市場比例超過50%，且市場增速高于全球平均水平，按具體功能分，ADC/DAC市場規模占模擬電路市場份額比例達15%，所以大概推斷出國內2022年ADC/DAC市場規模為56.1億美元（約393億人民幣）。

ADC芯片龍頭企業—ADI；我們主要從ADI關鍵財務數據剖析。數據來源：ADI官網公布的2019年年度報告（單位：千美元）。

1、收入、毛利率和進利率總覽

產品平均毛利率超過60%；

2、收入-按區域

源自于中國地區收入占ADI總收入的35%；

3、收入-按應用領域

ADI在全球市場的業務布局廣泛，主要以模擬信息的感知、測量、連接、電源、解譯、安全；

這六大核心處理技術，*地布局工業自動化、通訊、汽車和消費電子與醫療等產業。根據ADI剛公布的2019財報，工業應用領域占據半壁江山。

05 既然ADC芯片這么重要，又這么賺錢，需求需求量又這么大，我們為什么不自己設計和生產呢？

其實國產ADC芯片發展面臨的重重困難：

1、國內大學模擬集成電路的教育水平比較低。

2、在美國，由于瓦森納協定的限制，華人難以進入ADI/TI等公司最核心的ADC產品研發部門；在中國研發中心，國內工程師可以通過網絡看到絕大部分母公司的設計，但*看不到高端的ADC產品設計。

3、芯片設計，不算架構設計，從電路設計開始，到投片，最少要半年時間。投片送到晶圓工廠流片生產，一般要2個月到3個月。最重要的是一次投片的費用最少也要數十萬元，先進工藝高達一千萬到幾千萬。如此高的試錯和時間成本對一次成功率的要求極高，不得不把流程拖長，反復驗證，需要多個工種密切配合，團隊中一個人出錯，3個月后回來的芯片可能就是一塊兒石頭。修改一輪，又三個月過去了。

4、對于研發ADC芯片的初創公司，動則50-60萬薪起的模擬芯片研發工程師薪水；如果沒有強有力的資金支持，進軍ADC芯片就如同進入一個不斷挑戰的“巨坑”。再加上ADC芯片業更新換代很快，如果不能在特定時間內拿下產品，就趕不上市場的節奏，讓企業難以支撐。

而對于中國公司來說，想研發出高性能，低功耗的ADC芯片，沒有數十年的積累和持續投入，基本都是在劃水！

5、集成電路也可反向設計，就是抄，雖然芯片很小，電路密度極大，但仍然可以通過顯微、照相等方式獲得他的全部版圖信息，然后復制一份，送到工廠生產，似乎看起來就可以得到一模一樣的產品了。其實不然，版圖相當于軟件編譯后的機器代碼，可讀性很差，無法了解其原理和架構。而版圖提取本身存在物理誤差和人為錯誤，尤其對于高性能的模擬混合信號ADC芯片，對工藝又非常敏感，稍有不一致都可能導致芯片性能和良率的巨大差異。而此時設計人員無法了解原理，定位錯誤猶如一個盲人在大海里撈針。軍工研究所普遍采用這種方法，每次反向猶如一場賭博，有時候能做出來最好，一旦出現問題，基本束手無策。

所以多年下來，除了電路比較簡單的射頻和功放芯片，就算上述高性能ADC等關鍵器件反向設計成功，但能量產的例子寥寥無幾。

6、在自然界，動植物要生存，必須融入生物鏈。做企業也一樣。只不過，在企業這個生態鏈中，先行者有成本優勢，再加上穩定可靠的供應鏈，使得他們能夠持續盈利，進而支撐著技術的不斷進步。同時在供應鏈渠道通暢的時候，各種關系相互利益，做國產替換的工作非常艱難。對后來者而言，如同一道不可逾越的壁壘。好多科研院所的ADC芯片軍用很出彩，民用卻賣不出去？問題就在生態鏈上。軍用市場是一個封閉的小圈子產品追求性能、穩定性和抗干擾，對功耗、噪聲等及價格并不敏感，*隊ADC公司在這里能找到自己的位置。而在民用市場，性價比為王，對噪聲，功耗要求極高，技術升級快和供應鏈響應快，*隊很難融入這樣的生態鏈。

這些年，中國半導體產業面臨的一大難題，就是如何融入這個生態鏈。

國內做ADC的企業其實也不少，歸納起來有三類群體

*類是*骨干研究所（企業）

如：云*微、迅*微，北京**民芯，華*貝嶺、2*所（吉*微），南京5*所，航天61*所，安徽21*所，華*微等。從上世紀80年代末開始，國內已有ADC的團隊出現，這個階段主要以項目研發為主。

應用主要面向軍工、航空航天、相陣控雷達設備等。經過幾代人的努力今天也取得了不錯的成績，在一些應用上已經可以看到有國產ADC的芯片出現。中電集團某研究所于：2011年研制出了2Gsps、8bit的ADC，2018年研制出了5Gsps、10bit；航天某所于：2013年研制出了3Gsps、8bit，2016年推出了1Gsps、12bit的ADC。問題在于功耗大，噪音大，良率低，量產及產業鏈能力差，可用于軍工，國防科工等領域，但不能適用于工業通訊領域。

第二類是國內高校大學教授及碩博士學生

國內企業技術力量為主的創業團隊，如：北京芯*微、蘇州納*微、北京核*互聯、奇*士技術、北京昆*微、芯*半導體、杭州*盟等。在ADC研發方面也不斷有成就報道出來，比如中科院微電子所在2009年就研發出4Gsps、4bit的ADC產品，2012年研制出了8Gsps、4bit，2018年這個指標上升到了10Gsps、8bit，該產品在eBiCMOS工藝平臺實現。復旦大學正在聯合第三方企業完成一項4Gsps、12bit的*研發計劃。從指標上看，這個離*先進水平相差2代。以浙江大學為背景的杭州*盟公司，主要是以基礎的SD-ADC和SAR-ADC為主。第三類是外企海歸團隊

深圳靈*微、蘇州思*浦、上海韜*半導體、上海*精微、南京*思微、上海*比半導體等。近年來出現的以海歸團隊，都能知名投資機構的青睞，得到幾千萬元的投資，其目標是實現高速（1G以上）高精度ADC芯片的自主化研發。在長三角也有幾家以ADC為方向的創業團隊，其發展路徑是針對市場壁壘不高的測量儀器等民品市場研發適銷對路的ADC產品。指標參數都在65-250Msps、12-16bit范圍，也有報道稱蘇州某公司研制出了10Gsps、8bit的ADC產品。

高校是人才最大的輸出口，目前國內有培養微電子人才能力的學?；窘Y構是：10+17+2"

10：10代表著國內目前有示范性微電子學院的高校：清華大學，北京大學，上海交通大學，復旦大學，浙江大學，東南大學，中國科學院大學，中國科技大學，西安電子科技大學，電子科技大學。這10所大學代表了目前內地在微電子方面最為強悍的高校。

17：17代表著目前正在籌備建設示范性微電子學院的高校，大部分都是985高校，包括，華中科技大學，同濟大學，中山大學等，211的幾所大學如合肥工業大學，北京工大在微電子方面也展現著不俗的實力，今年深圳新貴南方科技大學也成功加入聯盟。

2：2代表著港澳的2所高校，香港科技大學和澳門大學。香港科技大學作為*工科名校，在集成電路設計方面有著*公認的硬實力，師資力量也是無比強大，基本上都是早年畢業于美國的*名校，堪稱大中華*。

2000年前后，*利用人才政策吸引了很多海關留學人員歸國創業，這些海歸博士一開始也許想做工業級產品，關鍵的CPU等，但很快發現產業環境不合適。

那時候中國的的整機還沒有強大到今天華為，小米，OPPO,VIVO等地位，市場容量小，技術可靠性要求高，設計周期長；這批海歸博士的企業都是靠消費類市場和06年之后*山寨手機熱潮完成的原始積累，進入良性循環。然而沒有跟上這*潮流的企業都還在艱難的生存。

在5G時代，高速高精度的ADC是5G基站不可或缺的芯片。目前進口的國外ADC芯片單價都在千元以上，單個5G基站的ADC芯片使用就高達兩位數?？梢娢磥韲aADC的使用空間巨大。

國產ADC芯片產業的歷史機遇

政策面：在美國政府和特朗普政權強力制裁以華為為首的中國高科技企業的大前提下，芯片的爭奪和發展成了重中之重。8月24日習近平總書記強調長三角三省一市要集合科技力量，聚焦集成電路、生物醫藥、人工智能等重點領域和關鍵環節，盡早取得突破。2020年7月30日，在國務院學位委員會會議上，投票通過了設立集成電路一級學科，上海復旦大學已經開了*槍。有望彌補30萬集成電路人才缺口。

而中科大與在合肥市的成功模式，讓各級政府、高校及高新科技給城市未來帶來的新時代機遇。

資金：*成立了*集成電路大基金一期，二期等，全力支持芯片的發展。社會上有關芯片生態產業的投資成了當下最大的熱門。各級政府都在當地建設集成電路基金和芯片相關的上游產業投資。

生態：國產替代已經成為了熱門詞匯。在瓦森納協定和美國特朗普政府的深度制裁造成國內很多的知名大客戶在無芯可用的情況下，在ADC芯片的使用上面不得采用國產替代。在臺積電突破7nm,中芯國際突破14nm的今天，國產高端ADC晶圓流片不再是一堵高墻。同時在瓦森納協定和美國特朗普政府的深度制裁造成國內很多的知名大客戶在無芯可用的情況下，在ADC芯片的使用上面不得采用國產替代。

這些年，中國半導體產業面臨的一大難題，就是如何融入這個生態鏈。

---國產替代，讓我們有了重塑生態鏈的好機會。

---新冠疫情，讓國產ADC芯片供不應求。

目前美國占據了全球半導體市場的半壁江山，擁有明顯的*優勢。那么一再對華實施芯片出口限制，到底有多大作用？美方還能確保自己的市場優勢嗎？

畢竟中國是全球最大的芯片消費市場。最近，美國智庫波士頓咨詢公司就發表了自己的研究報告，指出限制對華出口芯片，可能會終結美國在半導體產業的統治地位。

原子半導體應運而生！??！

原子半導體團隊和產品介紹

1、原子半導體是基于袁杰教授在港科大長期的芯片項目研發儲備和技術積累，從港科大分離出來的一家混合信號/模擬芯片設計高科技企業。公司成立于2020年9月，當前擁有香港和深圳兩支團隊。公司總部座落于香港科技園。公司團隊主要由名校畢業的博士組成。

2、原子半導體的芯片產品專注于高性能傳感器和通信的信號鏈?？梢詮V泛應用與手機，穿戴式設備，智能電器，消費電子，醫療電子，汽車電子，工業自動化，儀表，和通信設備。當前公司產品擁有眾多的合作伙伴和客戶。

3、創始人-袁杰：港科大混合信號傳感集成電路實驗室&國際*的傳感芯片研究中心主任；港科大電子系副教授，清華本科微電子系，賓夕法尼亞微電子系博士，國際芯片設計領域專家，發表70多篇論文，包括所有芯片/傳感器設計*期刊和會議，如JSSC,TCAS1,ISSCC,VLSI,CICC,ISCAS等.和TI,Intel，臺積電，華為，中興等企業，有10多年項目合作經歷。
4、研發團隊

? 1名港中文博士，前Marvell*模擬設計工程師

? 7名港科大博士，來自全球*高校的*大學生

? 團隊發表30多篇期刊會議論文，包括所有芯片設計*期刊和會議，如JSSC,TCAS1,ISCAS等

5、產品優勢：

相比國內企業

? 芯片設計技術體現在：高性能、高集成、快速度、低噪聲，低功耗，低溫漂；

? 產品線覆蓋范圍更廣，增長潛力更大；

? 可以吸引香港/臺灣/海外高質量的畢業生，

IC設計訓練水平比中國國內更高。

相比國際企業

? 我們產品線和中國市場更加契合，對手產品線老化；

? 我們更貼近中國市場，對客戶的響應速度更快；

? 相比國際企業技術在同一層次，我們產品集成度更高；

? 產品價格有優勢；

? 國產替代的浪潮。

6、當前原子半導體芯片產品主要針對兩個市場：模擬傳感器市場和數字傳感器市場。針對傳統模擬傳感器市場，我們推出高精度ADC芯片產品，能夠滿足10MSPS以下所有高精度的應用需求。針對新興的數字傳感器市場，我們推出自主開發的集成數字傳感器芯片產品。芯片產品性能達到國際*水平。

7、產品介紹：

高精度 24bit Σ? ADC 產品線

? AS1001：24bit, 高速（32KSPS)，Σ? ADC for sensors

? AS1002：24bit, 低速（1KSPS），Σ? ADC for sensors

高精度 16bit SAR ADC 產品線

? AS2001：16bit, 10MSPS, SAR ADC, for data acquisition

? AS2002IP：12bit, 1MSPS, SAR ADC IP，for MCU

? AS2003IP：12bit, 3MSPS, SAR ADC IP，for MC

高速 ADC 產品線

? AS3001: 14bit, 2.5GSPS, ADC，for 5G base station

數字溫度傳感器

? ATA10001：紅外數字溫度傳感器，額溫槍，手機

? ATA10002：接觸式數字溫度傳感器，智能手環

接近環境光傳感器

? ATA20001：環境光/接近傳感器，手機

TOF 傳感器

? ATA30001：TOF 圖像傳感器，手機

集成醫學傳感器

? ATA40001：ECG/EEG 數字傳感器，智能醫學 patch

智能咪表集成傳感器

? ATA50001：智能咪表集成傳感器，智能咪表

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