電子發燒友網報道(文/李寧遠)隨著5G、人工智能、物聯網、汽車電子等新興應用的崛起,高速數據轉換系統愈發常見。在一個高速數據轉換系統中,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設計在架構上不盡相同,每一種結構在性能特性和可交換位兩方面都有不小的差異。不同結構的分辨率、速度、復雜度對ADC的設計影響很大,高速數據轉換系統選擇什么樣的ADC是實現系統最佳性能的關鍵。
不同的高速ADC結構
高速ADC結構通常采用閃存、逐次逼近和分級比較三種結構,這三種結構因為特殊工藝和基本電路上有很多不同,因此在精確度、動態性能、窗口效應、簡化性和成本上各有優劣。
在所有高速轉換結構中,上限最快的就是閃存結構,又稱并行結構,因為在閃存ADC中進行的轉換只在單一方向上進行,突出一個采樣速率的快,現在做高速ADC大多都采用這種結構。
這種結構的ADC所有位的轉換同時完成,其轉換時間主取決于比較器的開關速度、編碼器的傳輸時間延遲等。閃存ADC的分辨率每高一位,其設計復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很高,現在也有超過10位分辨率的閃存轉換器,價格更高。閃存ADC分辨率每提高一位,內部比較器數量就需要加倍,功耗隨著比較器增多而增大也是必然的。CMOS技術通常用來設計低耗高速的閃存ADC,因為CMOS比較器阻抗特性很高,但這種降低功耗的技術存在補償偏高的弊端。在閃存ADC高速轉換設計中有很多這種綜合考慮后的折中設計,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降低速度。
逐次逼近結構,一個很流行應用很廣泛的結構,得益于它的性價比很高,能在成本范圍內實現很高的轉換性能。采用這種結構,ADC的性能變化范圍很大,分辨率可以從8位變化到16位,轉換速率可以從400ns變化到25μs。
逐次逼近ADC設計中雙極技術、CMOS技術和BIMOS技術都有應用,分別對應低噪高速、低耗高速等不同的電路。逐次逼近ADC結構有一個不同于其他ADC結構的特點,就是其ADC的線性度依賴于數模轉化器的線性度。精密DAC的發展相當程度上給逐次逼近ADC帶來了不少好處,最明顯的好處就是就是逐次逼近ADC相對于其他結構有更寬的溫度范圍。不過逐次逼近ADC在轉換信號前要求信號經過調理,需要額外的增益級和濾波。
分級比較ADC當轉換速率需要高分辨率時,轉換速率可以比逐次逼近要快得多,有著良好的低失調和線性,能夠大大簡化電路。但是分級比較ADC對電路工藝要求很高,電路設計得稍不合理就會影響增益的線性、失調和其他參數。
ADC市場發展
ADC屬于信號鏈模擬芯片,是模擬芯片的核心細分領域,近幾年全球信號鏈模擬芯片和轉換器產品的市場規模在不斷擴大,作為轉換器產品的核心部件,ADC的市場規模也在同步擴大。根據貝哲斯咨詢統計,2022年全球模數轉換器市場規模到達到了198.1億元人民幣,并預估到2028年市場規模將以年復合增長率5.48%的增速達到270.87億元。
根據Tech Insight的數據,當前ADC芯片的主要下游需求為通信設備領域(35%以上)、汽車電子(22%)、工業(20%)、消費電子(10%)。其中高速ADC出貨量占總出貨量不到10%,但占據整個行業近50%的銷售額。
未來幾年,支撐ADC芯片增長的主要驅動因素是5G、人工智能、物聯網傳感、汽車電子等新興領域,這些新興領域對信號處理的需求(速度、精度、噪聲等)正在迅速提升。5G是新興領域中的主要戰場。不光是5G基站,還是和5G相關的應用產品,都需要大量的高速ADC芯片,單個5G基站的ADC芯片使用量就多達兩位數,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,智能駕駛系統中有不少ADC芯片的應用。在電動汽車飛速發展的帶動下,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。不同于工業級、消費級ADC,車規級ADC的門檻更高,性能、可靠以及安全功能認證一樣都少不了,傳統的ADC大廠在這一塊優勢巨大。
ADC市場格局一如既往的穩定,ADI和TI兩大龍頭不論在技術實力、產品類別還是新品創新上都是絕對優勢,占據著9成以上的市場份額。國內隨著政策對集成電路產業的重視,近年來中國的芯片產業發展迅速,不少國產廠商展露頭角,推進著ADC的部分國產替代。
各廠商高速ADC動向
TI:多類別高速ADC新品發布
過去一年,TI發布了15款不同料號的高速模數轉換器芯片,這還不包括一些針對具體應用的集成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能適應任何空間受限的應用。
ADI:高速ADC進一步提升整體性能
近一年ADI發布了21款ADC新品,其中高速ADC有2款。其中AD9213S高速ADC實現了動態范圍和線性度性能的結合,同時功耗進一步降低。ADI采用專有校準和隨機化技術,抑制了混入其本底噪聲的交錯式雜散偽像,并通過片內擾動和校準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在大幅提高數據吞吐量和帶寬的同時盡可能減小功耗和尺寸,展現了行業領先的技術實力。
芯佰微電子:針對雷達、電網應用持續推出高速ADC
芯佰微的ADC多用于雷達系統、電網等領域,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。該料號產品采用了時間交替模式,因此達到了達到兩倍的采樣率。目前芯佰微的高速ADC在激光雷達上有不少應用。
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,在高速這一領域上處于國內領先的位置。旗下高速ADC采樣速率有2GSPS、10GSPS,最高達到30GSPS,精度在6bits-8bits之間。在國內超高速ADC領域內,迅芯微電子器件有不錯的技術優勢,目前在往集成化ADC芯片開拓。
芯熾科技:3GSPS高速ADC新品發布
芯熾科技旗下有不少高速ADC產品,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3GSPS采樣率,是一次不小的突破。
小結
做ADC需要深厚的技術積累,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。隨著新興領域對高速ADC需求的提升,肯定會帶動國內高速ADC產品的加速突破,這一點值得期待。
高速ADC設計在架構上不盡相同,每一種結構在性能特性和可交換位兩方面都有不小的差異。不同結構的分辨率、速度、復雜度對ADC的設計影響很大,高速數據轉換系統選擇什么樣的ADC是實現系統最佳性能的關鍵。
不同的高速ADC結構
高速ADC結構通常采用閃存、逐次逼近和分級比較三種結構,這三種結構因為特殊工藝和基本電路上有很多不同,因此在精確度、動態性能、窗口效應、簡化性和成本上各有優劣。
在所有高速轉換結構中,上限最快的就是閃存結構,又稱并行結構,因為在閃存ADC中進行的轉換只在單一方向上進行,突出一個采樣速率的快,現在做高速ADC大多都采用這種結構。
這種結構的ADC所有位的轉換同時完成,其轉換時間主取決于比較器的開關速度、編碼器的傳輸時間延遲等。閃存ADC的分辨率每高一位,其設計復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很高,現在也有超過10位分辨率的閃存轉換器,價格更高。閃存ADC分辨率每提高一位,內部比較器數量就需要加倍,功耗隨著比較器增多而增大也是必然的。CMOS技術通常用來設計低耗高速的閃存ADC,因為CMOS比較器阻抗特性很高,但這種降低功耗的技術存在補償偏高的弊端。在閃存ADC高速轉換設計中有很多這種綜合考慮后的折中設計,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降低速度。
逐次逼近結構,一個很流行應用很廣泛的結構,得益于它的性價比很高,能在成本范圍內實現很高的轉換性能。采用這種結構,ADC的性能變化范圍很大,分辨率可以從8位變化到16位,轉換速率可以從400ns變化到25μs。
逐次逼近ADC設計中雙極技術、CMOS技術和BIMOS技術都有應用,分別對應低噪高速、低耗高速等不同的電路。逐次逼近ADC結構有一個不同于其他ADC結構的特點,就是其ADC的線性度依賴于數模轉化器的線性度。精密DAC的發展相當程度上給逐次逼近ADC帶來了不少好處,最明顯的好處就是就是逐次逼近ADC相對于其他結構有更寬的溫度范圍。不過逐次逼近ADC在轉換信號前要求信號經過調理,需要額外的增益級和濾波。
分級比較ADC當轉換速率需要高分辨率時,轉換速率可以比逐次逼近要快得多,有著良好的低失調和線性,能夠大大簡化電路。但是分級比較ADC對電路工藝要求很高,電路設計得稍不合理就會影響增益的線性、失調和其他參數。
ADC市場發展
ADC屬于信號鏈模擬芯片,是模擬芯片的核心細分領域,近幾年全球信號鏈模擬芯片和轉換器產品的市場規模在不斷擴大,作為轉換器產品的核心部件,ADC的市場規模也在同步擴大。根據貝哲斯咨詢統計,2022年全球模數轉換器市場規模到達到了198.1億元人民幣,并預估到2028年市場規模將以年復合增長率5.48%的增速達到270.87億元。
根據Tech Insight的數據,當前ADC芯片的主要下游需求為通信設備領域(35%以上)、汽車電子(22%)、工業(20%)、消費電子(10%)。其中高速ADC出貨量占總出貨量不到10%,但占據整個行業近50%的銷售額。
未來幾年,支撐ADC芯片增長的主要驅動因素是5G、人工智能、物聯網傳感、汽車電子等新興領域,這些新興領域對信號處理的需求(速度、精度、噪聲等)正在迅速提升。5G是新興領域中的主要戰場。不光是5G基站,還是和5G相關的應用產品,都需要大量的高速ADC芯片,單個5G基站的ADC芯片使用量就多達兩位數,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,智能駕駛系統中有不少ADC芯片的應用。在電動汽車飛速發展的帶動下,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。不同于工業級、消費級ADC,車規級ADC的門檻更高,性能、可靠以及安全功能認證一樣都少不了,傳統的ADC大廠在這一塊優勢巨大。
ADC市場格局一如既往的穩定,ADI和TI兩大龍頭不論在技術實力、產品類別還是新品創新上都是絕對優勢,占據著9成以上的市場份額。國內隨著政策對集成電路產業的重視,近年來中國的芯片產業發展迅速,不少國產廠商展露頭角,推進著ADC的部分國產替代。
各廠商高速ADC動向
TI:多類別高速ADC新品發布
過去一年,TI發布了15款不同料號的高速模數轉換器芯片,這還不包括一些針對具體應用的集成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能適應任何空間受限的應用。
近一年ADC新品截圖,TI
ADI:高速ADC進一步提升整體性能
近一年ADI發布了21款ADC新品,其中高速ADC有2款。其中AD9213S高速ADC實現了動態范圍和線性度性能的結合,同時功耗進一步降低。ADI采用專有校準和隨機化技術,抑制了混入其本底噪聲的交錯式雜散偽像,并通過片內擾動和校準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在大幅提高數據吞吐量和帶寬的同時盡可能減小功耗和尺寸,展現了行業領先的技術實力。
ADI
芯佰微電子:針對雷達、電網應用持續推出高速ADC
芯佰微的ADC多用于雷達系統、電網等領域,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。該料號產品采用了時間交替模式,因此達到了達到兩倍的采樣率。目前芯佰微的高速ADC在激光雷達上有不少應用。
芯佰微
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,在高速這一領域上處于國內領先的位置。旗下高速ADC采樣速率有2GSPS、10GSPS,最高達到30GSPS,精度在6bits-8bits之間。在國內超高速ADC領域內,迅芯微電子器件有不錯的技術優勢,目前在往集成化ADC芯片開拓。
芯熾科技:3GSPS高速ADC新品發布
芯熾科技旗下有不少高速ADC產品,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3GSPS采樣率,是一次不小的突破。
小結
做ADC需要深厚的技術積累,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。隨著新興領域對高速ADC需求的提升,肯定會帶動國內高速ADC產品的加速突破,這一點值得期待。
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