國產(chǎn) ADC 芯片打入高端市場

近日，海思發(fā)布了高精度 ADC 芯片 AC9160 引發(fā)行業(yè)關(guān)注。
       官方資料顯示，該芯片采用 SAR ADC 架構(gòu)實現(xiàn)了 2Msps 采樣率的同時，保持了 24bit 的超高采樣精度。憑借創(chuàng)新的低噪聲設(shè)計，該芯片在 2Msps 下可達到 103.5dBFS 的 SNR，在 1Ksps 更是高達 138dBFS，即便在強干擾環(huán)境下依然能夠分辨目標(biāo)信號與噪聲信號。通過先進的封裝設(shè)計技術(shù)，AC9610 支持-40°C~125°C 寬溫工作，同時保證低溫漂，確保工業(yè)復(fù)雜環(huán)境下仍能正常運行。

那么這顆芯片的發(fā)布到底意味著什么呢？優(yōu)勢是什么？

ADC 芯片有多重要？

在很多設(shè)備上，傳感器接收到的信息是模擬信號，比如電壓值、電流值等等。模擬信號是連續(xù)的信號，典型代表包括 CT、MRI 之類的醫(yī)療設(shè)備。但是在數(shù)字世界中，CPU、MCU 等各類電子設(shè)備大腦處理的是數(shù)字信息，模擬信號不方便進行處理，因此需要一類芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號

一般而言，在連續(xù)的模擬信號中采取樣本，然后再用樣本估算整體，采樣得到的數(shù)據(jù)，就變成了離散的數(shù)字信號。將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的芯片就是 ADC 芯片，也叫模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter）。

ADC 芯片用于將真實世界產(chǎn)生的模擬信號（如溫度、壓力、聲音、指紋或者圖像等）轉(zhuǎn)換成更容易處理的數(shù)字形式；DAC（Digital to analog converter）的作用恰恰相反，它將數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號。ADC 和 DAC 是真實世界與數(shù)字世界的橋梁，屬于模擬芯片中難度最高的一部分，因此被稱為模擬電路皇冠上的明珠。在轉(zhuǎn)換器芯片中，ADC 應(yīng)用最為廣泛，在兩者的總需求中占比接近 80%。

ADC 既然要采樣，那就離不開兩大關(guān)鍵數(shù)據(jù)，即采樣精度和采樣速度。采樣精度用「位」來表示，現(xiàn)在常用的 ADC，采樣精度有 8 位、16 位、24 位、32 位，采樣速率用「Sps」來表示，意思是「每秒可以采集多少個樣本」。一般而言，采樣精度高，采樣速率就快不起來，采樣速率太快了，那采樣精度就高不起來。

比如，從技術(shù)參數(shù)來看，部分國產(chǎn)超高速 ADC 芯片已經(jīng)達到了國際領(lǐng)先水平。成都華微去年發(fā)布的超高速 AD 轉(zhuǎn)換器 HWD08B64GA1 型，其采樣率最高可達64GSPS，但其采樣精度只有 8 位。該產(chǎn)品是國內(nèi)首家基于自主 28nm 工藝設(shè)計的 8 位 64G 超高速 AD 轉(zhuǎn)換器，具備抗輻照能力，全流程自主可控。該芯片輸入帶寬達 20GHz，誤碼率低至 1e-15，功耗低至 4W。已在多家用戶單位形成小批量供貨，應(yīng)用領(lǐng)域涉及航天、航空、探測、感知、無線通信等。在技術(shù)水平方面，成都華微稱「該芯片是國內(nèi)首家 50GSPS 以上采樣速率的超高速 ADC，性能可比肩國際最高水平」。

國外企業(yè)統(tǒng)治市場

第一個 ADC 芯片是由 IBM 的 M. Klein 于 1974 年發(fā)明，到 2019 年，已經(jīng)整整 45 年的歷史，它的基本架構(gòu)、設(shè)計方法、原理已經(jīng)非常成熟。

目前 ADC 市場，特別是高端ADC 市場由亞德諾（ADI）、德州儀器（TI）這兩家大廠壟斷，其有著極其豐富的產(chǎn)品矩陣，從采樣精度能做到 32 位的極高精度型，到采樣速度能做到 20G 的極高速度型，各種價位段，各種參數(shù)，應(yīng)有盡有。

國內(nèi) ADC 芯片市場，ADI 和 TI 兩家的產(chǎn)品吃掉約 95% 的份額，其中 ADI 一家就搶走 56% 的市場份額。高速、高精度 ADC 芯片是模擬芯片的皇冠，在軍工、科研、通信等市場中有不可替代的作用，其出貨量雖然遠小于普通 ADC 芯片，但由于單價較高，其市場規(guī)?？蛇_到 ADC 芯片的一半，具有壁壘高、市場規(guī)模大的特點。

然而，在上世紀(jì) 90 年代，西方發(fā)達國家便通過《瓦森納協(xié)定》對高性能的 ADC 芯片進行管控，高端 ADC 芯片甚至完全禁運到中國。

根據(jù)《瓦森納協(xié)議》，如下不同規(guī)格的 AD 轉(zhuǎn)換器被限制對華出口：

「8bit 至 10bit 精度的 ADC，如果采樣率超過 1.3GSPS（十億次每秒）則被限制出口。

10bit 至 12bit 精度的 ADC，如果采樣率超過 600MSPS 則被限制出口。

12bit 至 14bit 精度的 ADC，如果采樣率超過 400MSPS 則被限制出口。

14bit 至 16bit 精度的 ADC，如果采樣率超過 250MSPS 則被限制出口。

16bit 及以上精度的 ADC，如果采樣率超過 65MSPS 則被限制出口。」

國際知名廠商如德州儀器、亞德諾半導(dǎo)體等，憑借先進的技術(shù)和豐富的產(chǎn)品線，在高精度、低功耗、高速轉(zhuǎn)換等方面具有顯著優(yōu)勢。而國內(nèi)企業(yè)雖然在部分高端芯片上實現(xiàn)了突破，但在產(chǎn)品線的豐富度、技術(shù)的成熟度以及市場份額等方面還有待進一步提升。

國內(nèi)主要分為三派，首先是科研院所，主要用在軍工等敏感領(lǐng)域，因此不惜成本；其次是上市公司，主要是在消費、通信等中低端領(lǐng)域有一些量；最后是高校和國際大廠出來的海歸，試圖在中高端領(lǐng)域以及一些特定的細分領(lǐng)域來做挑戰(zhàn)，具體來說：

科研院所派：航天 772 所（時代民芯）、中電 24 所、中電 55 所、中科院微電子所、吉芯科技（中國電科聲光電公司/重慶 24 所）、中科芯集成電路股份有限公司 (中電 58 所)；

上市公司派：臻鐳科技、蘇州思瑞浦、蘇州納芯微、上海貝嶺、芯?？萍?、圣邦股份、晶華微、智明達（銘科思微）、振芯科技、振華集團（云芯微）；

高校和海歸創(chuàng)業(yè)公司派：北京昆騰微電子、深圳靈矽微、上海韜潤半導(dǎo)體、上海治精微電子、上海類比半導(dǎo)體、北京核芯互聯(lián)、蘇州領(lǐng)慧立芯、廣州微龕、深圳山海半導(dǎo)體、上海芯熾科技、蘇州云芯微、蘇州迅芯微電子、北京士模微（思瑞浦投資）、天津智毅聚芯、深圳原子半導(dǎo)體、蘇州徵格、奇歷士、恒芯微、無錫晟朗、共模半導(dǎo)體、英彼森半導(dǎo)體、無錫晟朗、杭州瑞盟、蘇州潤石等。

其中軍工領(lǐng)域國家研究院所和迅芯微、芯佰微等有不同規(guī)模的出貨，消費電子芯海出貨量最大，音頻昆騰微出貨最多，上市公司里思瑞浦 ADC 最強，電池化成領(lǐng)域類比有優(yōu)勢，工業(yè)電力核芯互聯(lián)和上海貝嶺有出貨。

海思發(fā)布的 ADC 芯片強在哪里？

官方信息顯示，海思這次推出的 SAR ADC 型號為 AC9610，采樣率達到 2MSPS，可確保精準(zhǔn)捕獲μs 級瞬態(tài)信號；采樣精度更是達到 24bit，可精準(zhǔn)識別 0.5uV 弱小信號的差異；INL 誤差僅為±0.9ppm。

同時憑借創(chuàng)新的低噪聲設(shè)計，該芯片在 2MSPS 采樣率下可達到 103.5dBFS 的 SNR，在 1Ksps 采樣率時更是高達 138dBFS，即便在強干擾環(huán)境下依然能夠分辨目標(biāo)信號與噪聲信號。通過先進的封裝設(shè)計技術(shù)，AC9610 支持-40°C~125°C 寬溫工作，同時保證低溫漂，確保工業(yè)復(fù)雜環(huán)境下仍能正常運行。

海思推出的 AC9610 芯片，其最大的優(yōu)勢就在于保證精度的同時，兼顧速度，它的采樣精度是 24 位，采樣速度達到了 2M，幾乎達到了國際先進水平。除此之外，ADC 還有一些其他數(shù)據(jù)指標(biāo)，比如使用溫度范圍、信噪比等等，在這些方面，AC9610 和其他同級產(chǎn)品也都屬于同一范圍。

而在海思這款 ADC 芯片問世之前，國內(nèi) SAR ADC 以 12bit/16bit 為主，24bit 的產(chǎn)品雖然也有多家廠商推出，但采樣速率均遠低于 2MSPS。

AC9610 的核心應(yīng)用場景包括醫(yī)療設(shè)備（如 CT 機）、工業(yè)自動化、5G 通信基站及半導(dǎo)體制造設(shè)備，這些領(lǐng)域?qū)π盘栟D(zhuǎn)換精度和穩(wěn)定性要求極高，此前長期依賴 ADI、TI 等海外廠商。不過目前，海思還只有這一款 ADC 產(chǎn)品，尚未形成產(chǎn)品矩陣。

華為進軍醫(yī)療領(lǐng)域的依仗

ADC 芯片在應(yīng)用中，有些場合重視采樣速度，所以選采樣速度高的，比如雷達、一些工業(yè)設(shè)備，它們的采樣速度可以達到 20G 甚至更高。有些場合重視采樣精度，所以選取采樣精度高的芯片，比如醫(yī)療設(shè)備，如果采樣精度不夠，可能出現(xiàn)漏診等情況。

按照分辨率，ADC 芯片可分為：低分辨率 ADC（< 8 位）、中分辨率 ADC（8 位至 16 位）和高分辨率 ADC（> 16 位）。其中，高分辨率ADC 芯片主要用于對精度要求極高的專業(yè)領(lǐng)域，如科學(xué)研究、高端醫(yī)療設(shè)備、精密儀器儀表等。24 位甚至更高分辨率的 ADC 芯片能夠提供極其精確的測量結(jié)果，對于微弱信號的檢測和高精度數(shù)據(jù)采集具有重要意義。例如，在醫(yī)學(xué)影像設(shè)備如磁共振成像（MRI）系統(tǒng)中，高分辨率 ADC 可以精確地采集人體組織的微弱信號，經(jīng)過復(fù)雜的圖像重建算法處理后，生成高清晰度的醫(yī)學(xué)影像，為疾病的診斷和治療提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

不難看出，海思這款 AC9610，很適合用在醫(yī)療設(shè)備之類的高精度領(lǐng)域。所以這款芯片，會極大提升我國醫(yī)療等裝備的國產(chǎn)化水平。

而就在 3 月初，華為正式宣布組建第二十一軍團，也就是醫(yī)療衛(wèi)生軍團。從企業(yè)公開的信息看，華為在醫(yī)療界的合作伙伴，已經(jīng)覆蓋了醫(yī)療設(shè)備廠商，如聯(lián)影醫(yī)療、華大智造、邁瑞醫(yī)療，藥企、IVD 企業(yè)，如廣藥、迪安診斷等，涉及范圍早就拓展到了中醫(yī)藥、新藥研發(fā)、醫(yī)療信息化、數(shù)字醫(yī)生、基因組學(xué)研究等嚴(yán)肅醫(yī)療領(lǐng)域。

AC9610 或許才是華為進軍醫(yī)療領(lǐng)域的依仗。

高性能高精度 ADC 在工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備、高端測量儀器中是關(guān)鍵部件，ADC 直接影響到設(shè)備的工作性能。作為模擬芯片中的重要一環(huán)，要做好 ADC 并不容易。除了本身在工藝、設(shè)計上需要有多年的技術(shù)迭代積累，如何在市場上與早已成熟的海外大廠產(chǎn)品進行競爭，這需要國內(nèi)模擬芯片廠商緊貼市場需求，堅持正向研發(fā)。AC9610 的成果，也昭示了一點：咬牙堅持投入研發(fā)，長期看終將取得回報。