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創新應用高性能數據轉換器扮演關鍵角色
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文章來源: 發布時間:2016-03-15
 

     數據轉換器技術是模擬信號和數字信號之間的重要橋梁,低電壓、大電流、高效率、小尺寸、低成本是AD/DA轉換器發展的趨勢。同時,AD/DA轉換器的效率和密度也在不斷增加。除此之外,通信與網絡設備的集成化趨勢需要AD/DA轉換器集成更多的功能,同時具有更寬的輸出電壓或多路輸出。近年來轉換器產品以達到數千種,ADC和DAC的市場成穩步增長的發展趨勢,它們在現代軍用和民用電子系統中均顯示出其重要性。
國內外研究現狀
    ADC/DAC技術領域,美國專利的發展要比中國專利的起步早30年。中國專利從1985年才開始有專利申請,最初的十多年間也是外國企業在中國申請的專利居多,從2004年開始,中國專利申請才走上迅速發展的道路。而美國從1955年就已經開始有專利申請,1977年開始有了迅速的發展。


圖1 ADC/DAC技術中國專利IPC構成


    從圖1中可以看出,ADC/DAC技術IPC大組主要集中在H03M1(模/數轉換;數/模轉換)、H03M3(模擬值轉換到差分調制或相反轉換)領域,占前兩位分別有1370件、90件,各占ADC/DAC技術所有專利總量的83%、5%。其中對H03M1大組進一步分析技術點構成,絕大多數分布在H03M1/12(模/數轉換器)、H03M1/66(數/模轉換器)和H03M1/10(校正或測試)方面,分別有347件、272件和208件,各占H03M1專利數量的29%、23%和18%。

表1 ADC/DAC技術中國專利申請人前十

    表1為ADC/DAC技術專利申請人前十位排名,從表上可見,前十排名中國外企業占據5家,分別為松下電器產業株式會社、聯發科技股份有限公司、索尼公司、三星電子株式會社、皇家飛利浦電子股份有限公司。國內申請人中有4家是科研院所,分別為電子科技大學、復旦大學、清華大學和東南大學,還有一個申請人為個人申請人譚啟仁。表明國內ADC/DAC技術領域的研究還主要集中在科研院所。

圖2 ADC/DAC技術美國專利IPC構成

    從圖2中可以看出,美國專利中,ADC/DAC技術IPC大組主要集中在H03M1(模/數轉換;數/模轉換)、H03M3(模擬值轉換到差分調制或相反轉換)領域,占前兩位分別有4684件、537件,各占ADC/DAC技術所有專利總量的79%、9%。其中對H03M1大組進一步分析技術點構成,絕大多數分布在H03M1/12(模/數轉換器)、H03M1/66(數/模轉換器)和H03M1/00(模/數轉換、數/模轉換)方面,分別有999件、874件和581件,各占H03M1專利數量的23%、20%和13%。

表2 ADC/DAC技術美國專利申請人前十



    表2為ADC/DAC技術專利申請人前十位排名,表上可見,前十排名中美國本土企業占據4家,分別為ANALOG DEVICES INC、TEXAS INSTRUMENTS INC (US)、FREESCALESEMICONDUCTOR INC(已經和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,分別為SONYCOR,MITSUBISHI ELECTRIC CORP,NIPPONELECTRIC CO, PANASONIC COR,TOSHIBAK。分列第四,第五,第六,第七,和第十位。另外還有一家荷蘭公司PHILIPS CORP列為第九位。表明美國ADC/DAC技術領域在美國保持領先的地位,前三名都是本土公司。日本的跨國公司在美國進行了大量的專利布局,荷蘭的跨國公司在美國也進行了一定的專利布局。
挑戰與機遇并存
    占據全球數據轉換器市場近半壁江山的ADI預計,隨著數字的發展,數據轉換器將擁有非常廣闊的市場前景,其市場規模將逐漸擴大。ADI華中地區銷售經理張靖尤其看好汽車電子和醫療電子,認為上述兩個市場是未來增長潛力較強的市場。“就汽車電子而言,隨著更高安全性、更豐富的駕駛體驗等需求也將刺激半導體行業的發展,而醫療電子面臨著更高準確性和便攜性的挑戰,這些都為行業的發展帶來了機會,在未來5-10年內將是半導體市場相當耀眼的部分。”
    盤踞數據轉換器市場的另一家老牌半導體公司TI則瞄準了無線通信基礎設施。“特別是在高速設備市場,我們預計無線基礎設施還將實現持續增長。”TI模擬產品亞太市場業務拓展經理程偉健說。世界各地無線應用增長持續攀升,全球運營商正在加緊網絡升級的步伐,以應對越來越多的數據通信傳輸。從媒體網關到基站充斥著大數據量吞吐的需求,為了滿足對移動數據日益增多的需求,無線營運商,特別是亞洲、歐洲和北美的無線營運商將繼續對設備升級進行投資,以支持更大數據流量、更高網速。程偉健解讀3G和4G網絡設計基站設備升級擴容的背后,意味著通信設備需要速度更快、通道數更多的數據轉換器來支持更高的帶寬。
    專注高性能混合信號(HPMS)領域的NXP也看好醫療電子和通信領域數據轉換器的市場機會。凌力爾特則青睞通信領域,該公司混合信號產品部產品市場經理Alison Steer預計,隨著 4G通信系統的部署,基站應用(尤其在中國)將出現大幅增長。
數據轉換器市場增速高于半導體市場的增幅,吸引了相當多的廠商奮力角逐。而走訪各家關注領域的結果顯示,數據轉換器的熱點相對集中在傳統的量大市場——通信領域和新興的高利潤市場——醫療電子。相信在上述領域將圍繞數據轉換器展開激烈的大搏殺。
眾花齊放,百家爭鳴
    近年來數據轉換器設計一直把重點放在減少功耗,同時提高采樣率及分辨率性能上。這兩者是滿足新型的便攜式電池供電設備十分重要的屬性要求。這種便攜式電池供電設備已經應用于通信、計算機、工業和醫療電子行業方面,并逐漸成為全世界特別是新興行業的寵兒。
    無獨有偶,擅長低功耗的TI也將“功耗”鎖定為數據轉換的關鍵詞。“無論是推動節能降耗的工業設計,還是在開創了全新便攜式、電池供電新天地的醫療應用領域,效率都是整個行業的關鍵主題,而這一趨勢將一如既往地左右設計考慮因素。”在程偉健看來,功耗是傳統及新興轉換器市場的共性需求,無論是傳統的通信基礎設計,還是風能、太陽能和電力線通信等新市場,都將把重點放在如何以更低功耗和總體運營成本來提高數據速率上。
    772所成為全球第二家開發出采樣速率3GHz的A/D轉換器,打破了國外對我國的壟斷;14位2.5GHz采樣速率的高度D/A轉換器在國內也處于領先水平。中電24所成功研制出雙通道超高速、低功耗8 位1.5GHZ的 A/D轉換器,以及可提供高達 1200MHz 的采樣率的高性能高頻D/A轉換器。TI 擁有廣泛的數據轉換器產品系列,以高性能的 12 位到 18 位 SAR ADC、16 位到 24 位 delta-sigma ADC、10 位到16 位流水線 ADC 以及 8 位到 20 位 DAC 為特色,其中ADS54J40 雙通道 14 位 1.0GSPS 數模轉換器和ADS54J60 雙通道 16 位 1.0GSPS 模數轉換器較為領先。ADI也推出各個系列的數據轉換器,具有代表性的為 14位1.25 GSPS JESD204B雙通道模數轉換器和四通道、16位2.4 GSPS數模轉換器。
在可以預見的未來,隨著主流工藝的不斷升級、落后工藝的淘汰,低速產品每隔幾年就會有一些產品被廢型,同時,也會推出采用新工藝的相應替代產品,但其性能不會有很大提升。對于高速數據轉換器產品來說,目前產品的性能相對于實際的應用需求還有很大的提升空間,轉換器的發展方向主要集中在這類產品上。筆者認為,數據轉換器未來的發展趨勢主要有兩個。
    第一個趨勢是向超高速方向發展,下一代光通信對數據轉換器轉換速率的基本要求為28-56GSps,精度要求5~8位,速度要求遠遠超過目前產品所能達到的指標,目前,能達到這個轉換速率的產品都是采用Ⅲ-V族工藝(GaAs,InP)實現的。隨著模擬電路的主流工藝從0.18µm向更小特征尺寸發展,采用模擬主流工藝實現上述指標應該是數據轉換器發展的一個趨勢。
    第二個趨勢是朝高集成度方向發展,隨著無線通信系統的小型化和低功耗的要求不斷提高,通信系統中,越來越多的單元模塊都需要在一個單片上實現。近幾年推出的集成數據轉換器的模擬前端產品內部集成了放大器、濾波器、接收端ADC、發送端DAC以及其他一些輔助功能,為通信設備、無線寬帶網絡、家庭網絡、調制解調器、機頂盒等提供了小型化的集成解決方案。隨著未來通信系統的不斷升級,相應的單片系統產品的需求會進一步增加,數據轉換器產品集成的功能也將越來越復雜。
模擬和數字轉換的學問牽涉到系統的方方面面,從信號帶寬、速度、功耗、直流精度、交流線性度到動態范圍,再考慮到不同應用對指標要求不一,轉換器面臨的挑戰是多維的。在不同的應用場合,需要權衡實際需求而在多種指標間有所取舍。在提高精度、采樣率、帶寬的主韻律下,各家廠商各展所長,數據轉換器市場必將呈現出百家爭鳴的趨勢。

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