模数转换器adc原理，模数转换adc的原理讲解
chanong
|（报告撰写/作者：安信证券、马良）
1. ADC/DAC——模拟电路的杰作，ADC（模数转换器）和DAC（数模转换器）都是模数转换芯片，本质上是信号链芯片的一种。 ADC 用于将现实世界中生成的模拟信号（温度、压力、声音、指纹、图像等）转换为更易于处理的数字格式。 DAC 则相反，将数字信号调制为模拟信号。 ADC 占这两个总需求的近80%。 ADC和DAC是现实世界和数字世界之间的桥梁，是模拟芯片中最难的部分，被称为模拟电路皇冠上的宝石。
ADC芯片是模拟芯片。与只能区分“开”和“关”信号的数字芯片不同，模拟芯片可以处理音阶，并且可以读取和处理语音、音乐和视频生成的波形。与数字集成电路相比，模拟集成电路具有以下特点： 1、应用领域多：模拟集成电路可进一步分为线性器件（放大器、模拟开关、比较器等）、信号接口、数据转换等。按功能细分，有电源管理器件等诸多类别，并且每个类别根据终端产品的不同性能要求又有不同的系列，并且在当今几乎所有的电子产品中都可以找到它的身影。 2、生命周期长：数字集成电路强调计算速度与成本的比例，需要不断采用新设计、新工艺，而模拟集成电路则强调可靠性和稳定性，需要大规模生产，往往使用寿命较长。模拟集成电路的设计高度依赖设计者的经验，与数字集成电路相比，开发新工艺和购买新设备所需的资本投入较少，而且生命周期较长。虽然单个模拟集成电路的价格往往低于同代数字集成电路的价格，但模拟集成电路市场功能分散，因此受到单个行业地位变化的影响。找到了，价格就涨了。波动相对较小。据IC Insights预测，到2022年，全球模拟芯片市场规模预计将达到748亿美元，并有望以6.6%的复合年增长率快速增长。模拟芯片主要有三大类：第一类是运算放大器、乘法器、锁相环、有源滤波器、数模、模数转换器等通用电路；第二类是专用电路，如音频系统、电视接收机、录像机、通信系统等专用集成电路产品，第三类是单片集成系统，如单片发射机、单片接收机等。 ADC芯片的产业链与其他芯片一样，庞大且复杂。可以分为上游支持、中游核心和下游应用。从产业链中游到上游，美国、日本、欧洲、台湾地区的企业凭借自主可控的技术在半导体行业占据主导地位。 ADC芯片的转换过程主要包括采样和量化。第一步是对模拟信号进行采样，采样的度量是其速率。采样率代表了ADC可以转换的模拟信号的带宽，该带宽对应于模拟信号频谱中的最大频率。单位是每秒采样数。通常，1Msps 和1Gsps 分别代表每秒100 万个和10 亿个样本。第二步是将采样的模拟信号量化为数字信号。转换精度（分辨率）越高，转换后的信号与原始信号之间的差异越小。精度以位来衡量。分辨率不足会导致量化错误，因为1 位分辨率会忽略一位小数的内容，而2 位分辨率会忽略两位小数的内容。正弦波经过不同位的ADC 量化后，会出现不同的数字信号表示形式；例如，16 位可以非常准确地表示原始模拟波形，但3 位采样会产生阶跃信号。波形也不同。
因此，ADC芯片追求的主要指标是采样率和转换精度，但速率和精度是相互限制和权衡的，一般不能兼得。以ADI公司的产品为例，他们最快的ADC芯片性能为26Gsps/3位，而他们最精确的ADC芯片为26Msps/24位。 ADC 芯片的性能指标包括速度和精度，以及功耗、噪声、温度漂移和信噪比。 ADC芯片的性能大致可以分为四个方向：高精度高速、高精度低速、低精度高速、低精度高速。在单一指标实现高精度或高速率突破的同时，两个指标之间的平衡也是技术发展的挑战，而高精度ADC是模拟芯片的“珠穆朗玛峰”。 ADC 芯片的速度和精度规格之间需要权衡。 ADC芯片针对不同的应用场景有不同的设计架构。下面总结了五种常见的架构。 FLASH Half-Flash：并行结构允许采样率达到10Gsps以上，但非线性将分辨率限制为8位，允许在示波器等产品中使用。 2.折叠：采用折叠等结构的高速ADC可以实现比FLASH略高的精度和相当的速度，可应用于广播卫星的基带解调。 3. -型：主要应用于高精度数据采集，特别是传感器、数字音频系统、多媒体、地震仪器、声纳等电子测量领域。采集精度达到24位。四。 SAR逐次逼近：主要应用于中速率及以下、中等精度的数据采集和智能设备。虽然它没有最宽的采样率或最快的速度，但由于其低成本和低功耗而广受欢迎。 SAR ADC 还可实现16 位精度。 5、流水线：主要应用于高速条件下的瞬态信号处理、高速波形存储与记录、高速数据采集、视频信号量化、高速数字通信技术等领域，目前设计速度为Gsps 可能会达到。非常适合需要高性能的应用，例如无线收发器应用和军事应用。
2. 模拟电路核心碎片化，蓝海市场潜力巨大2.1. 需求旺盛，市场潜力巨大模拟芯片按照其通用功能分为信号链模拟芯片和电源管理模拟芯片，可分为两类。 ADC等转换器产品以及各种接口产品都属于信号链模拟芯片。根据Serip招股书，预计2016年至2023年全球信号链模拟芯片和转换器产品市场规模将持续扩大，作为转换器产品核心部件的ADC市场规模也将同时扩大。这是预料之中的。据Wind Data预测，2021年全球模拟芯片市场规模预计将达到677亿美元，同比增长21.66%，而IC Insights则预测2022年市场规模将达到748亿美元。而国内需求占世界市场的一半以上。据MEMS技术网研究预测，2019年全球ADC/DAC市场规模达到36亿美元，预计未来四年将以近10%的复合年增长率增长，受益于下游需求的落实，例如5G，我就是。预计到2023年，全球基站ADC/DAC市场规模将增长至50亿美元。需求巨大，未来发展前景广阔。
目前ADC芯片下游需求主要为通信设备（占比35%以上）、汽车电子（22%）、工业（20%）、消费电子（10%）。消费电子市场属于低端ADC芯片，而高端芯片市场包括有线/无线通信、汽车电子、军工、工业、航空航天、医疗设备等。据Databeans统计，高端ADC芯片的单价是低端ADC芯片的数倍，例如高速ADC占总出货量不到10%，但却接近行业的50%。销售。未来几年支持ADC芯片增长的主要驱动力将是5G、人工智能、物联网和汽车电子等新兴领域，这将增加对信号处理（包括速度、精度、噪声等）的需求。 ).马苏。这些领域所需的产品和技术正在快速增长并且更新频繁。
2.2. 5G基站部署和应用市场重复以5G为代表的通信领域是ADC市场重要且不断增长的市场。 5G基站的配置包括大量的ADC芯片，但同时基于5G的其他应用产品，如5G手机、物联网、人工智能等也将进行技术迭代。据千山产业研究所预测，日本正在积极推进移动通信基站建设，参考中国联通5G/4G密度比，日本建设的5G宏基站数量总数将在未来至少800万颗，单个5G基站使用的ADC芯片将达到两个数量级。 5G基站需要性能在250Msps到1Gsps、14到16位范围内的ADC芯片，但根据TI官网的产品列表，满足性能要求的ADC芯片最低单价约为11美元，最高价格约为11美元。是65 美元。保守计算，每个5G基站需要10个ADC芯片，每个芯片的成本为11美元，5G基站建设将为市场增加至少8.8亿美元，这是可能的。据工信部和拓普产业研究院预测，5G建设预计将在2023年达到峰值，全年建设数量达到115.2万台。此外，结合工信部预测，2021-2022年支持我国5G基站建设的ADC销量预计将在未来四年内达到峰值，5G相关ADC销量预计将达到未来四年将迎来高峰，发展刻不容缓。该芯片有望尽快收回成本并产生利润。在新的产业市场中，5G技术已成为各国通信领域竞争的主要方向之一，而5G基站等相关设备是实现5G通信连接的核心基础设施设备。中国5G技术正在稳步发展，根据公司公告和新闻统计，截至2019年第三季度，中国两大电信设备公司已在全球签署近100份5G商用合同。设备企业市场份额排名第一，2019年第三季度其全球5G基站出货量合计达到50%以上。此外，根据Business Market Insights 的一份报告，中国最大的运营商计划到2030 年投资近411 亿美元用于5G 部署。高性能、低时延、大容量是5G网络的特点，对高性能信号链模拟芯片，尤其是ADC芯片提出了巨大的需求。受消费者对智能手机需求的影响，智能手机消费市场日趋饱和，2016年至2019年全球出货量有所下降。智能手机消费类DAC 芯片需求增长放缓也导致整个ADC 芯片市场增长放缓。据新思维产业研究中心报告显示，2019年我国消费DAC芯片市场规模达到120亿元。随着5G手机的推出，预计2020-2021年智能手机出货量将逐步恢复，根据Wind数据，2021年第一季度，国内5G手机出货量占智能手机出货量的70%。多于手机从4G到5G的重大升级推动了智能手机销量的增长，同时也增加了消费者DAC芯片的市场需求。据IC Insights数据显示，预计到2024年我国消费DAC芯片市场规模将达到130亿元。
2.3. 汽车电子提供了一个不断进步的市场。 ADC/DAC芯片广泛应用于汽车智能驾驶系统中。随着我国汽车工业的不断发展和电子化程度的不断提高，已成为ADC/DAC芯片的新市场。增量市场。善山产业研究所的数据显示，日本汽车市场近年来发展迅速，年汽车销量从2006年的不足800万辆增长到2017年的2881万辆，年均增长率为13.49%。我国汽车销量全球份额从2005年的8.73%上升到2017年的29.9%。 2018年，我国成为全球最大的汽车销售市场。随着汽车年销量的不断提升，智能电子已成为全球汽车产业技术领域发展的焦点，成为产业战略新的增长点，汽车电子产业整体呈现出稳步上升的趋势。我是。我国汽车电子规模持续增长，根据产业研究院数据，2017年汽车电子规模较2016年增长17.6%，达到5400亿元。预计该市场将以10.6%的速度增长，快于全球增长率。与工业控制和消费级ADC 不同，汽车级ADC 是要求严格、高门槛的应用领域，需要进行一系列可靠性和安全性测试。汽车电子委员会(AEC) 制定了AEC-100Q 可靠性标准。这要求安装在汽车中的芯片能够在极高和极低的温度下运行，并在15 年内保持低于1 ppm 的故障率。汽车的使用寿命。同时，ADAS系统的安全认证采用ISO26262标准，芯片必须通过ASIL测试，A为最低严格级别，D为最高。
3. 国外龙头占据主导地位，国产替代必不可少3.1. 国外龙头占据主要份额据新思维产业研究中心统计，2018 年市场份额由Analog Devices（ADI）、德州仪器（Texas Instruments）主导。如德州仪器（TI）、美信（MAXIM）、MICROCHIP，其中ADI的份额约为58%，TI的份额约为25%，MAXIM的份额约为7%，其中MICROCHIP的市场份额为3 %，但国内企业所占比例较低。纵观各大模拟芯片领域，海外厂商占据了全球市场的大部分份额，但从2005年开始，模拟芯片的份额逐渐向各大公司集中，TI在全球模拟芯片市场占有基本份额。它在中排名第1。其芯片地位已经确立，近年来市场份额保持稳定。但与此同时，前10名模拟芯片供应商的总市场份额一直在下降，这意味着其他模拟芯片公司仍有进一步开拓市场的空间。集成电路技术诞生于欧美等发达国家，经过多年的研究、开发、重复，欧美、日本厂商通过资金、技术、客户资源的积累，形成了巨大的优势，品牌等Ta。与此同时，行业进入门槛和技术壁垒也随之提高。欧美日厂商凭借早期进入该领域积累的成本和技术优势，进一步拉大与我国集成电路企业的差距。目前，模拟集成电路市场是国外企业主导的竞争环境，而根据IC Insights统计，2018年，全球排名前10的模拟芯片供应商约占总市场份额的60%。目前，在ADC市场，TI、ADI、Maxim三大公司占据了国内高速高精度ADC/DAC市场95%以上的份额。其中，ADI的份额约为58%，TI的份额约为25%。这些欧美大型模拟集成电路供应商采用IDM商业模式，独立管理芯片设计、制造、封装、测试、销售，形成完整的产业链，并能从各公司身上获取商业价值。在协同工作和优化的同时进行链接。 ADI的模数转换器(A/D)和数模转换器(D/A)一直保持市场领先地位，目前在ADC领域保持业界最高水平。产品参数达到10Gsps、12bit、28nm。 2016 年，TI 推出了ADS1115 系列16 位ADC，其尺寸比竞争产品小70%。 Maxim 提供超过750 种A/D 转换器、D/A 转换器和专用数据转换器（显示器、触摸屏接口、AFE），数量超过任何其他供应商。 3.2 国内厂商的崛起目前，国内ADC/DAC公司相对于其他芯片公司来说还很少，而且距离世界先进水平还有两到三代的差距。概括来说，团队模型分为三种。一是国家核心研究机构（企业）。包括中国电子与航天研究院。第二种模式是清华大学、复旦大学、中科院（微电子研究所）等大学和科研院所。第三种模式是以海归、大学教授、博士生为主的创业团队。第一种模式“国家队”在ADC/DAC研发方面有着比较悠久的历史。 20世纪80年代末以来，国内ADC/DAC开发团队不断涌现，以项目研发为主。应用主要是军事工业、航空航天和相控阵雷达设备。经过多年的努力，目前已经取得了可观的成果，国产ADC/DAC芯片已经在多种应用中得到应用。中电集团第二十四研究所于2011年开发出2Gsps、8位ADC，2018年开发出5Gsps、10位ADC，航天研究所于2013年开发出3Gsps、8位ADC，并于2013年开发出3Gsps、8位ADC 2016 年。2015 年，我们推出了1Gsps、12 位ADC。代表企业有北京时代敏芯科技、苏州讯芯微电子等。
第二类高校和科研院所在ADC/DAC研发方面也不断取得进展；例如中科院微电子研究所于2009年开发出4Gsps、4位产品，以及8Gsps、4位产品。 2012年推出产品。我们开发了4位产品。到2018 年，该指标已增加至10Gsps、8 位，并且该产品在TowerJazz 0.18um SiGe BiCMOS 工艺平台上实现。复旦大学正在与其他公司合作完成4Gsps和12位的国家研发计划。从指标来看，这比世界先进标准落后两代。这种模式的代表企业有苏州纳芯微电子。第三种模式是近年来出现的创业团队，主要由海归团队和国内大学教授、博士组成（如核心互联网）。公司团队来自青海北部及北美知名大学，并在全球各大芯片供应商工作多年。公司于2019年量产80/100/125Msps、12位产品，并于2020年发布8通道、16位、超低功耗ADC芯片。长三角也有几个以ADC为主的创业团队，比如苏州云芯微电子，其发展路径是针对民间市场开发适销对路的ADC产品，比如市场壁垒较低的仪器仪表，仅此而已。所有指标参数均在65之间。 -250Msps，12-16 位范围。其他代表企业还有苏州斯瑞普、南京中创半导体等。 3.3、技术壁垒高、开发难度大、初期投入高：一块好的ADC/DAC芯片体现在精度高、功耗低、转换效率高等指标上。 /DAC芯片正在生产，但振荡器却供不应求，这是影响国内ADC/DAC芯片生产的关键因素之一。对于初创公司来说，闯入ADC/DAC芯片是一个巨大的挑战。前期和中期的持续研发投入需要资本市场的支持，高昂的成本并不能保证ADC芯片研发的成功。目前资本市场对此领域并不乐观。严格的性能要求：随着全球微电子技术的进步，ADC/DAC芯片的尺寸越来越小，但同时客户对芯片耐用性的要求逐渐提高，现在需要更精确的芯片选型和数量芯片数量不断增加。芯片通道选择、PGA选择、输出速率选择等提出了很多挑战。快速升级：芯片产业遵循摩尔定律。集成电路上可安装的元件数量大约每18 至24 个月就会增加一倍，其性能也会增加一倍。这意味着您花1 美元购买的计算机将具有两倍的性能。 18-24 个月。 ADC/DAC芯片行业更新迭代速度比普通芯片更快。目前，全球ADC/DAC芯片行业普遍遵循4-6年的周期。更新速度受宏观经济、下游应用需求驱动，电子产品更新换代很快，ADC/DAC芯片的性能也必然快速更新。制造过程很复杂，涉及制造芯片的数千个步骤。 ADC/DAC芯片是比较常见的芯片，制造工艺非常复杂。如果说开发常规芯片就像建造飞机，那么开发ADC 芯片就像建造航空母舰。 ADC/DAC芯片通常包括操作寄存器、中断寄存器和转换内存控制器，例如ADC/DAC芯片在制造过程中需要清除ADC发泡剂过程中产生的酸雾和杂质，有一个过程以保持转换信号的准确性。在制造方面，芯片制造对机械和环境要求很高。 3.4 瓦森纳协议出口管制和国内替代至关重要1996年，以西方国家为主的33个国家在奥地利维也纳签署了《瓦森纳协定》号协议，规定了高新技术产品和技术的出口范围和国家。 ADC属于出口限制产品，我国也是受到出口限制的国家之一，精度为8位以上、速度为10Msps以上的ADC主要受到出口禁令。
经过多年的研发，国内ADC厂商已逐步突破Wassenaar协议的性能限制，但仍落后国际先进水平两代。由于近期ADC国产化的趋势，国产ADC已进入部分商品市场，其推进有望加速。芯片技术公司往往通过以尖端技术主导市场、赚取高额利润，并将这些利润再投资到下一代技术的研发来建立技术壁垒。需求端，经过长时间的调整，更换供应商的成本和难度逐渐加大。竞争对手在研发、销售、盈利能力等各个方面都落后一步，而且整体落后的情况无限期地持续下去，陷入无法翻身的无限循环，一度制约了国内ADC芯片供应商。这是我这样做的主要原因之一。近年来，在国产替代的大趋势下，国内政府和企业高度重视半导体产业链的研发，以避免潜在的“僵局”困境。在技术标准范围内，由于国内需求，国产芯片采购比例将逐步提高。因此，国产ADC芯片的市场份额将逐步提升，打破国产ADC芯片无法进入采购名单的僵局，供应商将进入研发和盈利的“滚雪球”模式。国产替代的大势，是国内ADC芯片供应商转型的大好机会。
4. 相关公司4.1. 上海贝岭：长期、高速、高精度ADC 日本一流上海贝岭是一家提供模拟和数模混合集成电路及系统解决方案的集成电路设计公司。公司重点发展消费类和工业控制两大产品领域，其集成电路产品业务有五个主要产品领域：电源管理、智能电表和SoC、非易失性存储器、功率器件和高速。地区。主要目标市场适用于各种工业和消费电子产品，如电表、手机、液晶电视、平板显示器、机顶盒等。
公司的高速、高精度ADC芯片广泛应用于无线移动通信、医疗电子、工业控制和航空航天设备等领域，是关系到核心系统性能的关键部件。其中，ADC是通信基站的核心部件，5G通信技术和万物互联的应用场景带来的经济结构转型和进步将支撑数据转换器行业巨大的市场需求。国内三大公司对于5G投资节奏明显在5G通信中，MIMO（多输入多输出技术）越来越广泛，而为了大幅提升信道容量，无论是发射端还是接收端，因此对ADC/ADC的需求DAC芯片相比4G增加了数倍。公司第三代高频采样高速ADC IP核项目已通过国家03专项验收，目前正在进行后续商业化进程，但产品研发、认证、导入等周期很长长，而且提升很慢。长。要实现这一目标，在量产和销售方面还有很多工作要做。公司高速高精度ADC产品在电源保护市场得到众多客户的认可，实现批量销售，2021年第一季度销售额实现快速增长。 2020年年报中，ADC产品销售额占公司整体IC产品销售额比例较小，销售额不足1000万元。北斗在导航、信号接收、医疗影像等领域实现少量销售。据该公司官方介绍，2021年�**肽辏霉镜腁DC芯片BL1081将在湖北电网首台“国产芯”继电保护装置中投产，成为220kV电网首台装置。湖北省首批试点应用。
4.2、思瑞普：思瑞普微电子科技（苏州）有限公司，一家快速成长的国内模拟芯片领导者，专注于设计高性能模拟芯片，经过多年的发展和积累，已在模拟芯片领域发展信号链模拟芯片。我们积累了大量的技术储备，主要是在电源管理的模拟芯片方面，并不断开发和改进，以大规模量产模拟芯片产品，目前销售超过1,200种产品型号。同时，公司产品广泛被国内外品牌客户采用，涵盖信息通信、工业控制、监控安防、医疗健康、仪器仪表、家用电器等各个应用领域。目前公司主要产品包括高速模数转换器、高速数模转换器、高精度数模转换器、高精度模数转换器以及具体应用产品。主要技术水平有：高速模数转换器具有8/10位分辨率，采样率达到50MSPS，线性精度高。转换器分辨率为8/10位，输出速率可达125MSPS，精密模数转换器分辨率高，采样率可达500kSPS。精密数模转换器有单通道、双通道、4通道和8通道规格，分辨率为12至16位。
4.3、胜邦科技：国内模拟芯片领先者，产品布局广泛胜邦科技采用无晶圆厂经营模式，专注于高性能、高品质模拟电路的研发和销售。共16大类1400余款产品，销售信号链和电源管理两大领域，广泛应用于5G、通信设备、物联网、工业控制、医疗设备、消费设备等下游市场。它一直。电子、汽车电子等。公司技术团队由国际资深行业专家组成，拥有先进的模拟集成电路设计、工艺、测试技术，以及丰富的生产管理和质量控制经验。公司目前共销售七款ADC/DAC产品，其中六款DAC产品和一款ADC产品。公司高精度ADC已量产出货，虽然尚未达到高速水平，但已处于国内高端ADC/DAC前列。希望未来在各大厂商的合作与支持下，能够取得更大的进步。 4.4、芯海科技：深耕ADC领域，赋能大赛道上的小芯片发展芯海科技是一家集传感、计算、控制、连接于一体的高精度全信号链芯片设计公司，我们专注于开发设计ADC、高可靠性MCU、测量算法和物联网的一站式解决方案。公司芯片产品采用无晶圆厂业务模式，广泛应用于智能健康、智能手机、消费电子、可穿戴设备、智能家居、工业测量、汽车电子等领域。公司主要产品根据下游市场需求不断变化，2015年至2016年公司主营业务为集成电路，但此后拓展至微控制器芯片、触摸芯片、健康智能芯片等领域。已迁移。业务结构进行了重新调整，模拟信号链芯片和健康测量芯片成为主要收入来源。
公司的ADC系列产品的特点是精度高，最小测量信号达到42nV，适合各种信号大小和信号范围的仪器测量，线性度高，最大线性误差不超过10ppm，多种这意味着它可以处理高精度测量。场景误差要求；受温差影响较小，最大增益温漂小于3ppm，适合各种温度条件下的工业应用环境，内置精度正负2摄氏度的温度传感器和各种电子需求。
设备温度变化条 件下的软件补偿要求，适用于高精度天平及其他仪器仪表的测量、推广工作。 4.5. 核芯互联（非上市公司）：ADC 技术国内领先，多种高端产品即将发布公司创立于 2017 年，团队来自于清华北大以及北美名校，有着多年国内外大厂的工作经历， 如 AMD、英伟达、华为等。2018 年获得 5000 万元个人投资者种子轮投资。公司同时掌握 ADC/DAC、时钟芯片、运算放大器、高速接口和 RISC-V IP 等多项技术，具备信号链全链 芯片及相关 IP 设计研发能力。公司立志为用户提供性能更好、功耗更低、价格更优的完整 的信号链芯片解决方案。（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）精选报告来源：【未来智库官网】。