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中国ADC水平究竟如何?

2018-12-10
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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。


文/半导体行业观察 张健




*本文由 公众号 半导体行业观察(ID:icbank)原创。如需转载请加微信号:icbank_kf01,或在公众号后台回复关键词“转载”,谢谢。


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