电子发烧友网报道(文/李宁远)随着5G、人工智能、物联网、汽车电子等新兴应用的崛起,高速数据转换系统愈发常见。在一个高速数据转换系统中,放大器、DAC、ADC这些都是必不可少的,ADC作为信号链核心,其重要性不言而喻。
高速ADC设计在架构上不尽相同,每一种结构在性能特性和可交换位两方面都有不小的差异。不同结构的分辨率、速度、复杂度对ADC的设计影响很大,高速数据转换系统选择什么样的ADC是实现系统最佳性能的关键。
不同的高速ADC结构
高速ADC结构通常采用闪存、逐次逼近和分级比较三种结构,这三种结构因为特殊工艺和基本电路上有很多不同,因此在精确度、动态性能、窗口效应、简化性和成本上各有优劣。
在所有高速转换结构中,上限最快的就是闪存结构,又称并行结构,因为在闪存ADC中进行的转换只在单一方向上进行,突出一个采样速率的快,现在做高速ADC大多都采用这种结构。
这种结构的ADC所有位的转换同时完成,其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。闪存ADC的分辨率每高一位,其设计复杂程度以及成本都会大大增加。典型的8位分辨率下其成本已经很高,现在也有超过10位分辨率的闪存转换器,价格更高。闪存ADC分辨率每提高一位,内部比较器数量就需要加倍,功耗随着比较器增多而增大也是必然的。CMOS技术通常用来设计低耗高速的闪存ADC,因为CMOS比较器阻抗特性很高,但这种降低功耗的技术存在补偿偏高的弊端。在闪存ADC高速转换设计中有很多这种综合考虑后的折中设计,想提高精确度,功耗和面积就不可避免地增加,减少功率耗散就需要适当降低速度。
逐次逼近结构,一个很流行应用很广泛的结构,得益于它的性价比很高,能在成本范围内实现很高的转换性能。采用这种结构,ADC的性能变化范围很大,分辨率可以从8位变化到16位,转换速率可以从400ns变化到25µs。
逐次逼近ADC设计中双极技术、CMOS技术和BIMOS技术都有应用,分别对应低噪高速、低耗高速等不同的电路。逐次逼近ADC结构有一个不同于其他ADC结构的特点,就是其ADC的线性度依赖于数模转化器的线性度。精密DAC的发展相当程度上给逐次逼近ADC带来了不少好处,最明显的好处就是就是逐次逼近ADC相对于其他结构有更宽的温度范围。不过逐次逼近ADC在转换信号前要求信号经过调理,需要额外的增益级和滤波。
分级比较ADC当转换速率需要高分辨率时,转换速率可以比逐次逼近要快得多,有着良好的低失调和线性,能够大大简化电路。但是分级比较ADC对电路工艺要求很高,电路设计得稍不合理就会影响增益的线性、失调和其他参数。
ADC市场发展
ADC属于信号链模拟芯片,是模拟芯片的核心细分领域,近几年全球信号链模拟芯片和转换器产品的市场规模在不断扩大,作为转换器产品的核心部件,ADC的市场规模也在同步扩大。根据贝哲斯咨询统计,2022年全球模数转换器市场规模到达到了198.1亿元人民币,并预估到2028年市场规模将以年复合增长率5.48%的增速达到270.87亿元。
根据Tech Insight的数据,当前ADC芯片的主要下游需求为通信设备领域(35%以上)、汽车电子(22%)、工业(20%)、消费电子(10%)。其中高速ADC出货量占总出货量不到10%,但占据整个行业近50%的销售额。
未来几年,支撑ADC芯片增长的主要驱动因素是5G、人工智能、物联网传感、汽车电子等新兴领域,这些新兴领域对信号处理的需求(速度、精度、噪声等)正在迅速提升。5G是新兴领域中的主要战场。不光是5G基站,还是和5G相关的应用产品,都需要大量的高速ADC芯片,单个5G基站的ADC芯片使用量就多达两位数,5G市场对高速ADC的海量需求肉眼可见。
汽车电子也是一个可观的ADC增量市场,智能驾驶系统中有不少ADC芯片的应用。在电动汽车飞速发展的带动下,汽车电子在整车中的成本占比越来越高,对高性能ADC的需求也很明显。不同于工业级、消费级ADC,车规级ADC的门槛更高,性能、可靠以及安全功能认证一样都少不了,传统的ADC大厂在这一块优势巨大。
ADC市场格局一如既往的稳定,ADI和TI两大龙头不论在技术实力、产品类别还是新品创新上都是绝对优势,占据着9成以上的市场份额。国内随着政策对集成电路产业的重视,近年来中国的芯片产业发展迅速,不少国产厂商展露头角,推进着ADC的部分国产替代。
各厂商高速ADC动向
TI:多类别高速ADC新品发布
过去一年,TI发布了15款不同料号的高速模数转换器芯片,这还不包括一些针对具体应用的集成AFE。这些高速ADC速率覆盖从最小10MSPS到最高10.4GSPS,每个速率等级都有新品覆盖。这些芯片配置上非常注重小型化,晶圆级芯片封装简化了整个器件的布局并能降低成本,让这些高速ADC能适应任何空间受限的应用。
ADI:高速ADC进一步提升整体性能
近一年ADI发布了21款ADC新品,其中高速ADC有2款。其中AD9213S高速ADC实现了动态范围和线性度性能的结合,同时功耗进一步降低。ADI采用专有校准和随机化技术,抑制了混入其本底噪声的交错式杂散伪像,并通过片内扰动和校准组合保持线性度性能,从而在各种输入信号条件下带来出色的无杂散性能。ADI在大幅提高数据吞吐量和带宽的同时尽可能减小功耗和尺寸,展现了行业领先的技术实力。
芯佰微电子:针对雷达、电网应用持续推出高速ADC
芯佰微的ADC多用于雷达系统、电网等领域,精度和速率覆盖的范围较广,旗下高速ADC采样率最高可覆盖至1.5GSPS。该料号产品采用了时间交替模式,因此达到了达到两倍的采样率。目前芯佰微的高速ADC在激光雷达上有不少应用。
迅芯微电子:主攻超高速
苏州迅芯微电子主攻超高速,主要做6至14位分辨率的高速ADC,在高速这一领域上处于国内领先的位置。旗下高速ADC采样速率有2GSPS、10GSPS,最高达到30GSPS,精度在6bits-8bits之间。在国内超高速ADC领域内,迅芯微电子器件有不错的技术优势,目前在往集成化ADC芯片开拓。
芯炽科技:3GSPS高速ADC新品发布
芯炽科技旗下有不少高速ADC产品,此前最高采样率可以做到1GSPS。2022年8月初,芯炽科技展示了一款型号为SC10D9501的低功耗高性能ADC,分辨率10bit,单通道可以实现3GSPS采样率,是一次不小的突破。
小结
做ADC需要深厚的技术积累,同时还要不断迭代、磨炼,这些都并非易事。如何在提升采样率的同时尽可能减小功耗和尺寸,是每一个ADC厂商都在攻克的课题。随着新兴领域对高速ADC需求的提升,肯定会带动国内高速ADC产品的加速突破,这一点值得期待。
高速ADC设计在架构上不尽相同,每一种结构在性能特性和可交换位两方面都有不小的差异。不同结构的分辨率、速度、复杂度对ADC的设计影响很大,高速数据转换系统选择什么样的ADC是实现系统最佳性能的关键。
不同的高速ADC结构
高速ADC结构通常采用闪存、逐次逼近和分级比较三种结构,这三种结构因为特殊工艺和基本电路上有很多不同,因此在精确度、动态性能、窗口效应、简化性和成本上各有优劣。
在所有高速转换结构中,上限最快的就是闪存结构,又称并行结构,因为在闪存ADC中进行的转换只在单一方向上进行,突出一个采样速率的快,现在做高速ADC大多都采用这种结构。
这种结构的ADC所有位的转换同时完成,其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。闪存ADC的分辨率每高一位,其设计复杂程度以及成本都会大大增加。典型的8位分辨率下其成本已经很高,现在也有超过10位分辨率的闪存转换器,价格更高。闪存ADC分辨率每提高一位,内部比较器数量就需要加倍,功耗随着比较器增多而增大也是必然的。CMOS技术通常用来设计低耗高速的闪存ADC,因为CMOS比较器阻抗特性很高,但这种降低功耗的技术存在补偿偏高的弊端。在闪存ADC高速转换设计中有很多这种综合考虑后的折中设计,想提高精确度,功耗和面积就不可避免地增加,减少功率耗散就需要适当降低速度。
逐次逼近结构,一个很流行应用很广泛的结构,得益于它的性价比很高,能在成本范围内实现很高的转换性能。采用这种结构,ADC的性能变化范围很大,分辨率可以从8位变化到16位,转换速率可以从400ns变化到25µs。
逐次逼近ADC设计中双极技术、CMOS技术和BIMOS技术都有应用,分别对应低噪高速、低耗高速等不同的电路。逐次逼近ADC结构有一个不同于其他ADC结构的特点,就是其ADC的线性度依赖于数模转化器的线性度。精密DAC的发展相当程度上给逐次逼近ADC带来了不少好处,最明显的好处就是就是逐次逼近ADC相对于其他结构有更宽的温度范围。不过逐次逼近ADC在转换信号前要求信号经过调理,需要额外的增益级和滤波。
分级比较ADC当转换速率需要高分辨率时,转换速率可以比逐次逼近要快得多,有着良好的低失调和线性,能够大大简化电路。但是分级比较ADC对电路工艺要求很高,电路设计得稍不合理就会影响增益的线性、失调和其他参数。
ADC市场发展
ADC属于信号链模拟芯片,是模拟芯片的核心细分领域,近几年全球信号链模拟芯片和转换器产品的市场规模在不断扩大,作为转换器产品的核心部件,ADC的市场规模也在同步扩大。根据贝哲斯咨询统计,2022年全球模数转换器市场规模到达到了198.1亿元人民币,并预估到2028年市场规模将以年复合增长率5.48%的增速达到270.87亿元。
根据Tech Insight的数据,当前ADC芯片的主要下游需求为通信设备领域(35%以上)、汽车电子(22%)、工业(20%)、消费电子(10%)。其中高速ADC出货量占总出货量不到10%,但占据整个行业近50%的销售额。
未来几年,支撑ADC芯片增长的主要驱动因素是5G、人工智能、物联网传感、汽车电子等新兴领域,这些新兴领域对信号处理的需求(速度、精度、噪声等)正在迅速提升。5G是新兴领域中的主要战场。不光是5G基站,还是和5G相关的应用产品,都需要大量的高速ADC芯片,单个5G基站的ADC芯片使用量就多达两位数,5G市场对高速ADC的海量需求肉眼可见。
汽车电子也是一个可观的ADC增量市场,智能驾驶系统中有不少ADC芯片的应用。在电动汽车飞速发展的带动下,汽车电子在整车中的成本占比越来越高,对高性能ADC的需求也很明显。不同于工业级、消费级ADC,车规级ADC的门槛更高,性能、可靠以及安全功能认证一样都少不了,传统的ADC大厂在这一块优势巨大。
ADC市场格局一如既往的稳定,ADI和TI两大龙头不论在技术实力、产品类别还是新品创新上都是绝对优势,占据着9成以上的市场份额。国内随着政策对集成电路产业的重视,近年来中国的芯片产业发展迅速,不少国产厂商展露头角,推进着ADC的部分国产替代。
各厂商高速ADC动向
TI:多类别高速ADC新品发布
过去一年,TI发布了15款不同料号的高速模数转换器芯片,这还不包括一些针对具体应用的集成AFE。这些高速ADC速率覆盖从最小10MSPS到最高10.4GSPS,每个速率等级都有新品覆盖。这些芯片配置上非常注重小型化,晶圆级芯片封装简化了整个器件的布局并能降低成本,让这些高速ADC能适应任何空间受限的应用。
近一年ADC新品截图,TI
ADI:高速ADC进一步提升整体性能
近一年ADI发布了21款ADC新品,其中高速ADC有2款。其中AD9213S高速ADC实现了动态范围和线性度性能的结合,同时功耗进一步降低。ADI采用专有校准和随机化技术,抑制了混入其本底噪声的交错式杂散伪像,并通过片内扰动和校准组合保持线性度性能,从而在各种输入信号条件下带来出色的无杂散性能。ADI在大幅提高数据吞吐量和带宽的同时尽可能减小功耗和尺寸,展现了行业领先的技术实力。
ADI
芯佰微电子:针对雷达、电网应用持续推出高速ADC
芯佰微的ADC多用于雷达系统、电网等领域,精度和速率覆盖的范围较广,旗下高速ADC采样率最高可覆盖至1.5GSPS。该料号产品采用了时间交替模式,因此达到了达到两倍的采样率。目前芯佰微的高速ADC在激光雷达上有不少应用。
芯佰微
迅芯微电子:主攻超高速
苏州迅芯微电子主攻超高速,主要做6至14位分辨率的高速ADC,在高速这一领域上处于国内领先的位置。旗下高速ADC采样速率有2GSPS、10GSPS,最高达到30GSPS,精度在6bits-8bits之间。在国内超高速ADC领域内,迅芯微电子器件有不错的技术优势,目前在往集成化ADC芯片开拓。
芯炽科技:3GSPS高速ADC新品发布
芯炽科技旗下有不少高速ADC产品,此前最高采样率可以做到1GSPS。2022年8月初,芯炽科技展示了一款型号为SC10D9501的低功耗高性能ADC,分辨率10bit,单通道可以实现3GSPS采样率,是一次不小的突破。
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做ADC需要深厚的技术积累,同时还要不断迭代、磨炼,这些都并非易事。如何在提升采样率的同时尽可能减小功耗和尺寸,是每一个ADC厂商都在攻克的课题。随着新兴领域对高速ADC需求的提升,肯定会带动国内高速ADC产品的加速突破,这一点值得期待。
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