[原创] 中国ADC水平究竟如何？

眼下，中国的集成电路产业正在加紧追赶世界先进水平的脚步，除了像CPU、、GPU、DSP、FPGA这样的核心处理器之外，我们在高性能模拟器件方面，还处于后来学习者的角色。而ADC/DAC是模数混合IC，是连接模拟和数字世界之间的桥梁，具有很高的技术含量。

ADC、DAC，特别是超高速（采样率≥100Msps）芯片，是未来100G光通信、4G/5G基站、测试测量仪器设备，以及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间。

工作原理及分类

ADC的任务就是将模拟信号转换为数字信号，其性能指标分为两大类，一是动态指标，主要包括：采样率，分辩率（又称采样精度），转换速率(Conversion Rate)，无杂散动态范围(SFDR)，信噪比（SNR），总谐波失真（THD）等，其中，采样率决定了ADC单位时间内采样的数据量，分辨率决定了采集信号的质量；二是静态指标，主要包括：偏移增益误差(Offset/Gain Error)，微分非线性（DNL），积分非线性（INL）等。

按照不同的架构，ADC可以分为Flash、SAR、Pipeline、Σ-Δ以及混合架构等类型。而为了更好地兼容速度、精度以及功耗，混合架构成为了目前研究的热点。

DAC的任务则与ADC正相反，是将数字信号转换为模拟信号，其主要指标也分为动态与静态两种，而DAC的架构主要包括电阻串型、电荷分布型，以及电流舵型，其中，分段式电流舵型是高速、高精度DAC的首选架构。

制程工艺

ADC与DAC所采用的制程工艺主要包括以下三种：CMOS、GaAs HBT和SiGe BiCMOS。其中，CMOS的优点是便于与数字电路集成，且截止频率高、功耗低；GaAs HBT的击穿电压高、但功耗较大；SiGe BiCMOS的截止频率高，且具有抗辐射性，缺点也是功耗较高。

综合考虑来看，CMOS工艺在功耗和集成度方面具有优势，SiGe BiCMOS在提升采样率、抗辐射方面有优势。

市场格局

目前，全球ADC、DAC市场主要被几家跨国大企业所垄断，如ADI、TI、MAXIM、MICROCHIP等，其中，ADI市占率最高，约为58%，TI占比约为25%，MAXIM占7%，MICROCHIP占3%。

随着应用需求不断提升，市场对高速ADC、DAC的需求量越来越大，这里的高速，指的是采样速率≥1Msps，从统计数据来看，仅占6%出货量的高速数据转换器，创造了近50%的行业销售额。

研发历史及现状

随着应用和技术的发展，ADC、DAC也呈现出了越来越清晰的发展趋势，高采样率、高分辨率以及低功耗是未来超高速ADC和DAC的发展方向。在ADC方面，其采样精度和速度是相互制约的关系，大致符合1bit或6dB（以SNDR衡量）/倍频的规律。

目前，超高速ADC、DAC已经成为各大公司和知名科研院所的重点研发项目，纷纷投入了大量人力和财力。

图：ADC、DAC芯片研发历史及现状（来源：中科院微电子研究所）

在ADC方面，国际上，日本富士通公司于2011年研制出了64Gsps、8bit的产品，IBM于2014年采用32nm的SOICMOS工艺，研制了90Gsps、8bit的产品，而作为该领域的霸主级企业，ADI公司于2017年开发出了28nm的10Gsps、12bit产品，这里，在保持较高采样率的情况下，精度提升到了12bit，在业内处于领先地位。

由于ADC是测试测量仪器的核心器件，所以多数仪器厂商都采取自行研发ADC的方式，以满足测试测量仪器的特殊需求，2017年，是德科技（Keysight）研制出了采用28nm工艺的8Gsps、10bit产品。

在示波器中，精度和速度永远是矛盾的，总是相互制约，即ADC的位数和仪器的带宽之间，总是需要权衡，是此消彼长的关系。在这方面，LeCroy区域销售经理Scott Zhang表示，他们正在从8bit进阶到12bit，为此，该公司在研发相关ADC方面投入了很大的财力和人力。因为示波器用的ADC与通用ADC产品不同，大都是由示波器设备厂商自己研发，因为普通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，我国在ADC方面，存在着2~3代的差距，还处于追赶阶段。目前，国内在这方面处于领先地位的企业和科研院所包括：复旦大学，在2011年研发出了1Gsps、7bit的产品；中电集团24所于2011年研发了2Gsps、8bit的；中科院微电子所则于2016年开发出了32Gsps、6bit的；时代民芯（航天772所）于2013年研制出了3Gsps、8bit的，并于2016年推出了1Gsps、12bit的ADC；而最新的研究成果是，2018年，中科院微电子所研制成功了10Gsps、8bit的ADC。

除了以上企事业单位以外，华为海思也在进行相应的DAC/ADC芯片研发工作，但略显神秘，曝出的产品和技术信息很有限。

另一家本土企业在这方面的研发工作有些争议，就是苏州云芯微，该公司的产品精度较高，有12bit的、14bit的，也有16bit的，且与市场上被普遍采用的ADI公司主流产品的兼容性较好。

在DAC方面，国际上的先进企业主要包括：EUVIS，其在2010年研发出了8Gsps、12bit的产品；NTT公司则于2011年推出了60Gsps、6bit的；Ciena公司在2011年研制出了56Gsps、6bit的；日本富士通公司也在2011年推出了65Gsps、8bit的产品；而行业老大ADI公司，在2017年开发出了一款AD9172，采用28nm制程工艺，精度很高，达到12Gsps、16bit.

国内整体水平与国际先进企业也有着2~3代的差距，走在前沿的企事业单位主要包括：中科院半导体所、昆腾微电子、中科院微电子所，以及复旦大学等。

市场呼唤高性能和新技术

为了满足市场应用的需求，全球的相关企业和科研院所都在高速ADC、DAC的研发方面增加投入，以开创更新、性能更好的技术和架构，如多通道时间交织ADC（TI_ADC）架构，以及分段式电流舵型DAC。目前来看，基于先进的微纳米半导体工艺技术和创新的系统架构设计，是业界开发超高速ADC、DAC的主流路线。

要想创新，就必然要克服各种阻碍和挑战，目前，超高速ADC、DAC就是要实现以更高采样率和更高精度为代表的高性能，这在技术层面要解决两大问题：一是电路架构，二是设计方法。

电路架构层面，就是如何提升电路的采样速率，在ADC方面，业界正在攻坚多路并行采样技术这一难题，而在DAC方面，则需要良好的高速、高线性度设计技术。

目前，业界正在研究用于超高速ADC的时间交织技术，而多通道时间交织ADC（TI_ADC）是实现高采样率的主流架构，该技术的主要挑战在于：通道间的失配对时间交织ADC的性能有着较大影响，如SNR、SFDR的恶化，输出频谱的杂散大，分辨率变差，ENOB减少，输出波形存在失真和抖动。因此，通道间的失配校准是实现TI_ADC架构的关键技术。

在这方面，中科院微电子研究所高频高压中心研究员武锦给出了一套解决方案：可以基于FPGA进行数字模拟混合校正，该方法为单片时钟交织ADC的研究提供了一种设计支撑，其优势在于：算法灵活，硬件开销小，缩短了单片时钟交织ADC的研发周期。

据悉，通过该方法实现了芯片级双通道时间交织4Gsps、8bit的ADC，这在国内同时期是处于领先地位的，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采访时，在中国模拟电路理论研究方面颇有建树，来自于西安交通大学电气工程学院的杨建国教授表示，他在ADC领域研究了多年，并拥有一个特别的ADC专利，采用了新的架构。

据杨建国教授介绍，传统ADC是等时间采样，有一个采样率的概念。但他的ADC不是这样，其数据采集过程就是记录曲线不同位置的点，通过X、Y轴就能确定这些点，传统ADC的核心是默认X是等增量递增的，只记录Y值。他的这个ADC是纵轴上画了好多格子，超越这个格子，跨到另外一个格子的时候就计时，没有信息就不计，他把这个ADC叫转置ADC。这个ADC的突出特色就是采集到的信息不一定要压缩，因为没有信息它不采，如果它采集了就一定是有用信息，因此没有必要压缩。另外，该架构能以数字脉冲的方式传递模拟量，模拟量在时间轴上，这有可能突破现代ADC在纵轴上的瓶颈，比如在讨论0.8微伏的噪声电压时，在纵轴上已经不能再低了，但在时间轴上，时间分辨率更高。这或许也是超高速数据转换器的另外一个发展方向。

杨建国教授表示，他的这种ADC架构完全不同于传统的，模拟量用光传输（可见光或红外线），打出去后能直接把模拟量恢复出来，也可以把音频信息直接恢复出来。另外，在隔离应用方面，这个架构的ADC能突破模拟信号在频率方面的束缚。

在设计方法层面，需要解决信号完整性问题，业界引出了微波电磁场的分析方法。器件和电路的关键在于对信号传输机理和耦合机制的理解和应用，具体如下图所示。

图源：中科院微电子研究所

据武锦介绍，要解决这样的问题，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，可以通过建立广义的信号分析网络和“整体分析，局部优化”的信号分析方法，解决信号完整性问题。

可以采用“场路”结合的分析方法，开展高频关键路径的信号完整性研究，基于微波传输和匹配理论可建立超高速数据转换器的设计平台。在这样的平台上，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，从而基于仿真和理论研究得出设计规则。

通过以上设计方法，可以提升DAC的性能，消除ADC的输出错码，性能也得到了改善。

目前，国内在进行超高速ADC先进技术和架构研究的科研院所主要有中电55所，清华大学，复旦大学，以及中科院微电子所。

从事超高速DAC研究的主要有中电24所，复旦大学，以及中科院微电子所，如复旦大学于2013年研制出了CMOS 1Gsps、12bit的DAC，而中科院微电子所也于2013年研制出了SiGe基10Gsps、8bit的DAC.

综上，像ADI和TI这样的国际大企业，一直处于数据转换器行业的前沿，并引领着发展潮流，此外，高性能测试测量仪器厂商也都有自己的ADC研发团队，不断有高水准的专用产品推出。相比较而言，中国的技术水平和市场影响力还很有限，但我们的市场和应用空间巨大，且数据转换器是连接现实模拟世界和虚拟数字世界之间的桥梁，具有多个关键参数，相应的技术发展永无止境，还需要不断努力。