作者：鵬程
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(shí)現(xiàn)了2Msps采樣率的同時(shí)，保持了24bit的超高采樣精度。憑借創(chuàng)新的低噪聲設(shè)計(jì)，該芯片在2Msps下可達(dá)到103.5dBFS的SNR，在1Ksps更是高達(dá)138dBFS，即便在強(qiáng)干擾環(huán)境下依然能夠分辨目標(biāo)信號(hào)與噪聲信號(hào)。通過先進(jìn)的封裝設(shè)計(jì)技術(shù)，AC9610支持-40°C~125°C寬溫工作，同時(shí)保證低溫漂，確保工業(yè)復(fù)雜環(huán)境下仍能正常運(yùn)行。
那么這顆芯片的發(fā)布到底意味著什么呢？其有何過人之處？
1、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(hào)，比如電壓值、電流值等等。模擬信號(hào)是連續(xù)的信號(hào)，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(hào)不方便進(jìn)行處理，因此需要一類芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)
一般而言，在連續(xù)的模擬信號(hào)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(hào)。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)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(shí)世界產(chǎn)生的模擬信號(hào)（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(hào)調(diào)制成模擬信號(hào)。ADC和DAC是真實(shí)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(gè)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(dá)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(dá)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(jì)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(dá)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(cè)、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”。
2、國外企業(yè)統(tǒng)治市場(chǎng)
第一個(gè)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(jì)方法、原理已經(jīng)非常成熟。
目前ADC市場(chǎng)，特別是高端ADC市場(chǎng)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(jià)位段，各種參數(shù)，應(yīng)有盡有。
國內(nèi)ADC芯片市場(chǎng)，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(chǎng)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(chǎng)中有不可替代的作用，其出貨量雖然遠(yuǎn)小于普通ADC芯片，但由于單價(jià)較高，其市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)到ADC芯片的一半，具有壁壘高、市場(chǎng)規(guī)模大的特點(diǎn)。
然而，在上世紀(jì)90年代，西方發(fā)達(dá)國家便通過《瓦森納協(xié)定》對(duì)高性能的ADC芯片進(jìn)行管控，高端ADC芯片甚至完全禁運(yùn)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(duì)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(jìn)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(shì)。而國內(nèi)企業(yè)雖然在部分高端芯片上實(shí)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(chǎng)份額等方面還有待進(jìn)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(fèi)、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(xì)分領(lǐng)域來做挑戰(zhàn)，具體來說：
科研院所派：航天772所（時(shí)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(dá)（銘科思微）、振芯科技、振華集團(tuán)（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(fèi)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(qiáng)，電池化成領(lǐng)域類比有優(yōu)勢(shì)，工業(yè)電力核芯互聯(lián)和上海貝嶺有出貨。
3、海思發(fā)布的ADC芯片強(qiáng)在哪里？
官方信息顯示，海思這次推出的SAR ADC型號(hào)為AC9610，采樣率達(dá)到2MSPS，可確保精準(zhǔn)捕獲μs級(jí)瞬態(tài)信號(hào)；采樣精度更是達(dá)到24bit，可精準(zhǔn)識(shí)別0.5uV弱小信號(hào)的差異；INL誤差僅為±0.9ppm。
同時(shí)憑借創(chuàng)新的低噪聲設(shè)計(jì)，該芯片在2MSPS采樣率下可達(dá)到103.5dBFS的SNR，在1Ksps采樣率時(shí)更是高達(dá)138dBFS，即便在強(qiáng)干擾環(huán)境下依然能夠分辨目標(biāo)信號(hào)與噪聲信號(hào)。通過先進(jìn)的封裝設(shè)計(jì)技術(shù)，AC9610支持-40°C~125°C寬溫工作，同時(shí)保證低溫漂，確保工業(yè)復(fù)雜環(huán)境下仍能正常運(yùn)行。
海思推出的AC9610芯片，其最大的優(yōu)勢(shì)就在于保證精度的同時(shí)，兼顧速度，它的采樣精度是24位，采樣速度達(dá)到了2M，幾乎達(dá)到了國際先進(jìn)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(jí)產(chǎn)品也都屬于同一范圍。
而在海思這款A(yù)DC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(yuǎn)低于2MSPS。
AC9610的核心應(yīng)用場(chǎng)景包括醫(yī)療設(shè)備（如CT機(jī)）、工業(yè)自動(dòng)化、5G通信基站及半導(dǎo)體制造設(shè)備，這些領(lǐng)域?qū)π盘?hào)轉(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A(yù)DC產(chǎn)品，尚未形成產(chǎn)品矩陣。
4、華為進(jìn)軍醫(yī)療領(lǐng)域的依仗
ADC芯片在應(yīng)用中，有些場(chǎng)合重視采樣速度，所以選采樣速度高的，比如雷達(dá)、一些工業(yè)設(shè)備，它們的采樣速度可以達(dá)到20G甚至更高。有些場(chǎng)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(duì)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(cè)量結(jié)果，對(duì)于微弱信號(hào)的檢測(cè)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(hào)，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A(yù)C9610，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(huì)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(tuán)，也就是醫(yī)療衛(wèi)生軍團(tuán)。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(jìn)軍醫(yī)療領(lǐng)域的依仗。
高性能高精度ADC在工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、高端測(cè)量?jī)x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(jì)上需要有多年的技術(shù)迭代積累，如何在市場(chǎng)上與早已成熟的海外大廠產(chǎn)品進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，這需要國內(nèi)模擬芯片廠商緊貼市場(chǎng)需求，堅(jiān)持正向研發(fā)。AC9610的成果，也昭示了一點(diǎn)：咬牙堅(jiān)持投入研發(fā)，長期看終將取得回報(bào)。
