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创新应用高性能数据转换器扮演关键角色
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文章来源:      发布时间:2016年03月15日

     数据转换器技术是模拟信号和数字信号之间的重要桥梁,低电压、大电流、高效率、小尺寸、低成本是AD/DA转换器发展的趋势。同时,AD/DA转换器的效率和密度也在不断增加。除此之外,通信与网络设备的集成化趋势需要AD/DA转换器集成更多的功能,同时具有更宽的输出电压或多路输出。近年来转换器产品以达到数千种,ADC和DAC的市场成稳步增长的发展趋势,它们在现代军用和民用电子系统中均显示出其重要性。
国内外研究现状
    ADC/DAC技术领域,美国专利的发展要比中国专利的起步早30年。中国专利从1985年才开始有专利申请,最初的十多年间也是外国企业在中国申请的专利居多,从2004年开始,中国专利申请才走上迅速发展的道路。而美国从1955年就已经开始有专利申请,1977年开始有了迅速的发展。


图1 ADC/DAC技术中国专利IPC构成


    从图1中可以看出,ADC/DAC技术IPC大组主要集中在H03M1(模/数转换;数/模转换)、H03M3(模拟值转换到差分调制或相反转换)领域,占前两位分别有1370件、90件,各占ADC/DAC技术所有专利总量的83%、5%。其中对H03M1大组进一步分析技术点构成,绝大多数分布在H03M1/12(模/数转换器)、H03M1/66(数/模转换器)和H03M1/10(校正或测试)方面,分别有347件、272件和208件,各占H03M1专利数量的29%、23%和18%。

表1 ADC/DAC技术中国专利申请人前十

    表1为ADC/DAC技术专利申请人前十位排名,从表上可见,前十排名中国外企业占据5家,分别为松下电器产业株式会社、联发科技股份有限公司、索尼公司、三星电子株式会社、皇家飞利浦电子股份有限公司。国内申请人中有4家是科研院所,分别为电子科技大学、复旦大学、清华大学和东南大学,还有一个申请人为个人申请人谭启仁。表明国内ADC/DAC技术领域的研究还主要集中在科研院所。

图2 ADC/DAC技术美国专利IPC构成

    从图2中可以看出,美国专利中,ADC/DAC技术IPC大组主要集中在H03M1(模/数转换;数/模转换)、H03M3(模拟值转换到差分调制或相反转换)领域,占前两位分别有4684件、537件,各占ADC/DAC技术所有专利总量的79%、9%。其中对H03M1大组进一步分析技术点构成,绝大多数分布在H03M1/12(模/数转换器)、H03M1/66(数/模转换器)和H03M1/00(模/数转换、数/模转换)方面,分别有999件、874件和581件,各占H03M1专利数量的23%、20%和13%。

表2 ADC/DAC技术美国专利申请人前十



    表2为ADC/DAC技术专利申请人前十位排名,表上可见,前十排名中美国本土企业占据4家,分别为ANALOG DEVICES INC、TEXAS INSTRUMENTS INC (US)、FREESCALESEMICONDUCTOR INC(已经和Motorola公司合并)、 BROADCOM CORP (US)。分列第一,第二,第三和第八位。日本公司5家,分别为SONYCOR,MITSUBISHI ELECTRIC CORP,NIPPONELECTRIC CO, PANASONIC COR,TOSHIBAK。分列第四,第五,第六,第七,和第十位。另外还有一家荷兰公司PHILIPS CORP列为第九位。表明美国ADC/DAC技术领域在美国保持领先的地位,前三名都是本土公司。日本的跨国公司在美国进行了大量的专利布局,荷兰的跨国公司在美国也进行了一定的专利布局。
挑战与机遇并存
    占据全球数据转换器市场近半壁江山的ADI预计,随着数字的发展,数据转换器将拥有非常广阔的市场前景,其市场规模将逐渐扩大。ADI华中地区销售经理张靖尤其看好汽车电子和医疗电子,认为上述两个市场是未来增长潜力较强的市场。“就汽车电子而言,随着更高安全性、更丰富的驾驶体验等需求也将刺激半导体行业的发展,而医疗电子面临着更高准确性和便携性的挑战,这些都为行业的发展带来了机会,在未来5-10年内将是半导体市场相当耀眼的部分。”
    盘踞数据转换器市场的另一家老牌半导体公司TI则瞄准了无线通信基础设施。“特别是在高速设备市场,我们预计无线基础设施还将实现持续增长。”TI模拟产品亚太市场业务拓展经理程伟健说。世界各地无线应用增长持续攀升,全球运营商正在加紧网络升级的步伐,以应对越来越多的数据通信传输。从媒体网关到基站充斥着大数据量吞吐的需求,为了满足对移动数据日益增多的需求,无线营运商,特别是亚洲、欧洲和北美的无线营运商将继续对设备升级进行投资,以支持更大数据流量、更高网速。程伟健解读3G和4G网络设计基站设备升级扩容的背后,意味着通信设备需要速度更快、通道数更多的数据转换器来支持更高的带宽。
    专注高性能混合信号(HPMS)领域的NXP也看好医疗电子和通信领域数据转换器的市场机会。凌力尔特则青睐通信领域,该公司混合信号产品部产品市场经理Alison Steer预计,随着 4G通信系统的部署,基站应用(尤其在中国)将出现大幅增长。
数据转换器市场增速高于半导体市场的增幅,吸引了相当多的厂商奋力角逐。而走访各家关注领域的结果显示,数据转换器的热点相对集中在传统的量大市场——通信领域和新兴的高利润市场——医疗电子。相信在上述领域将围绕数据转换器展开激烈的大搏杀。
众花齐放,百家争鸣
    近年来数据转换器设计一直把重点放在减少功耗,同时提高采样率及分辨率性能上。这两者是满足新型的便携式电池供电设备十分重要的属性要求。这种便携式电池供电设备已经应用于通信、计算机、工业和医疗电子行业方面,并逐渐成为全世界特别是新兴行业的宠儿。
    无独有偶,擅长低功耗的TI也将“功耗”锁定为数据转换的关键词。“无论是推动节能降耗的工业设计,还是在开创了全新便携式、电池供电新天地的医疗应用领域,效率都是整个行业的关键主题,而这一趋势将一如既往地左右设计考虑因素。”在程伟健看来,功耗是传统及新兴转换器市场的共性需求,无论是传统的通信基础设计,还是风能、太阳能和电力线通信等新市场,都将把重点放在如何以更低功耗和总体运营成本来提高数据速率上。
    772所成为全球第二家开发出采样速率3GHz的A/D转换器,打破了国外对我国的垄断;14位2.5GHz采样速率的高度D/A转换器在国内也处于领先水平。中电24所成功研制出双通道超高速、低功耗8 位1.5GHZ的 A/D转换器,以及可提供高达 1200MHz 的采样率的高性能高频D/A转换器。TI 拥有广泛的数据转换器产品系列,以高性能的 12 位到 18 位 SAR ADC、16 位到 24 位 delta-sigma ADC、10 位到16 位流水线 ADC 以及 8 位到 20 位 DAC 为特色,其中ADS54J40 双通道 14 位 1.0GSPS 数模转换器和ADS54J60 双通道 16 位 1.0GSPS 模数转换器较为领先。ADI也推出各个系列的数据转换器,具有代表性的为 14位1.25 GSPS JESD204B双通道模数转换器和四通道、16位2.4 GSPS数模转换器。
在可以预见的未来,随着主流工艺的不断升级、落后工艺的淘汰,低速产品每隔几年就会有一些产品被废型,同时,也会推出采用新工艺的相应替代产品,但其性能不会有很大提升。对于高速数据转换器产品来说,目前产品的性能相对于实际的应用需求还有很大的提升空间,转换器的发展方向主要集中在这类产品上。笔者认为,数据转换器未来的发展趋势主要有两个。
    第一个趋势是向超高速方向发展,下一代光通信对数据转换器转换速率的基本要求为28-56GSps,精度要求5~8位,速度要求远远超过目前产品所能达到的指标,目前,能达到这个转换速率的产品都是采用Ⅲ-V族工艺(GaAs,InP)实现的。随着模拟电路的主流工艺从0.18µm向更小特征尺寸发展,采用模拟主流工艺实现上述指标应该是数据转换器发展的一个趋势。
    第二个趋势是朝高集成度方向发展,随着无线通信系统的小型化和低功耗的要求不断提高,通信系统中,越来越多的单元模块都需要在一个单片上实现。近几年推出的集成数据转换器的模拟前端产品内部集成了放大器、滤波器、接收端ADC、发送端DAC以及其他一些辅助功能,为通信设备、无线宽带网络、家庭网络、调制解调器、机顶盒等提供了小型化的集成解决方案。随着未来通信系统的不断升级,相应的单片系统产品的需求会进一步增加,数据转换器产品集成的功能也将越来越复杂。
模拟和数字转换的学问牵涉到系统的方方面面,从信号带宽、速度、功耗、直流精度、交流线性度到动态范围,再考虑到不同应用对指标要求不一,转换器面临的挑战是多维的。在不同的应用场合,需要权衡实际需求而在多种指标间有所取舍。在提高精度、采样率、带宽的主韵律下,各家厂商各展所长,数据转换器市场必将呈现出百家争鸣的趋势。

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