ADC 行业简况

 

概况

 

 

AD/DA芯片主要是实现温度、压力、流量、速度、光强等模拟信号和数字信号（电压、电流等）之间的相互转换，是连接模拟和数字世界之间的桥梁。其中AD芯片（ADC）用于将模拟信号转换为数字信号，DA 芯片（DAC）用于将数字信号转换为模拟信号。

 

在一个完整的信号链中，传感器采集到真实世界的自然信号，如电磁波、声音、图像、温度、光信号等，并将这些自然信号转化成模拟的电信号。然后放大器把模拟信号放大，ADC把模拟信号转化为数字信号；数字信号经过MCU或CPU或DSP等处理后，再经由DAC还原为模拟信号，通过扬声器、马达、LED等输出设备输出到真实世界。

 

 

 

 

信号链系统的工作原理

 

 

 

AD/DA芯片主要性能指标包括采样速度和精度、功耗、转换速率、信噪比、误差等。
采样速度： 用Sample Per Second（SPS）衡量，代表ADC可以转换多大带宽的模拟信号，高速AD/DA能够解析更高频率的信号。 
精度： 用bit单位衡量，用来表征转换出来的数字信号与原来的模拟信号之前的差距，bit数越高的AD/DA芯片的精度也越高。

*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。

 

 

 

 

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。

根据不同的采样速度和精度，ADC芯片可以分为以下四种：

Flash ADC： 闪烁型（Flash）ADC通常精度不超过8位，但速度高最快，可达56GHz以上。  
Pipeline ADC： 管道型ADC研发难度最高，速度通常不超过10GHz，精度可达14-16位。
SAR ADC： 逐次逼近型（SAR）ADC速度约在100MHz左右，但精度可超过18位。
Sigma-Delta ADC： Sigma-Delta ADC具有最高精度，可达24位，但通常速度仅在1K~10M

  

 

 

 

 

 

ADC芯片的下游应用包括军工、工业、消费级等，不同应用场景对于采样速度与精度均有不同的性能追求。

 

 

 

 

 

市场规模： AD/DA芯片可分为ADC芯片和DAC芯片，其中ADC芯片占比较大。根据智研咨询数据，2023年ADC、DAC芯片全球市场规模为31.55亿美元。

 

 

全球ADC芯片市场规模（亿美元）

 

竞争格局： 从全球竞争格局来看，ADI在AD/DA领域拥有最高的市场份额，美国在该领域拥有绝对的垄断力，前5大公司均为美国公司。

 

 

全球AD/DA芯片市场份额

 

 

应用场景：AD/DA芯片广泛覆盖消费、工业、通讯和军工等应用场景

从全球AD/DA芯片的下游应用占比来看，通讯和工业/医疗是最大的应用市场，占比达到35%和31%，消费和汽车市场紧随其后，均占据12%的份额。    

 

   AD/DA芯片下游应用占比

 

消费类：主要应用于手环手表、TWS耳机和手机/平板
在消费类应用场景中，主要会用到ADC芯片，对采样速度的要求较低，但对精度的要求较高。据测算，我国消费类场景的AD/DA芯片（主要是ADC）市场规模超过50亿元人民币，且随着手环手表、TWS耳机等消费电子的兴起，该块市场需求强劲，是现金流较为稳定的市场。
手环手表： ADC芯片主要用于测心率、心电和血氧，精度要求较高（16-24Bit），心率采集不需要很快的频率，对采样速度要求低。
TWS耳机： ADC芯片主要用于入耳检测功能、降噪功能。入耳检测有SAR和光感两种方案，精度在12-16Bit左右。
手机/平板： ADC芯片主要用于屏幕亮度调节和辐射调节。销售到欧美的手机需要标配SAR芯片（辐射调节），手机也是消费级最主要的应用场景。

 

 

 

工业类：电力线监控、机器人手臂控制等场景都会用到AD/DA     
工业类的AD/DA在不同的具体应用中，对采样速度和精度的要求差异较大，但总体而言，工业类AD/DA追求在一定采样速度下的高精度。比如电力线监控，属于低速高精度的ADC应用；机器人手臂控制- SAR ADC，及时采样，速率在1K-10M之间。
还有一类属于Sigma-Delta型ADC，精度在16-24bit，但速度通常只有几赫兹到几K，ADI最快只到2.5M，进入门槛相对较低。在工业中可以用于厂房过程控制、高端电子秤等，在医疗中可以用于X光射线采样、心电检测等。    

 

 

汽车类：主要应用于音频系统和新能源汽车的电池管理   
在汽车领域，ADC主要应用于汽车的音频系统和新能源汽车的电池管理。新能源车BMS（电池管理系统）会用到SAR ADC产品，随着新能源汽车销量的井喷，汽车用ADC的需求量会持续增加。

 

军工类：主要应用于雷达等军工设备

军工武器需用到高速度ADC，对ADC的速度要求通常在250M以上，对精度要求也高。

雷达是军工领域AD/DA应用的主要场景，对ADC的技术要求极高，需要2.5G/12Bit的性能。目前该领域AD/DA被国外厂商垄断，且属于禁运范围；雷达中1个通道需要1个AD/DA，大型雷达有数万个通道，小型雷达也有几千个，对应平均几千美金的单价，有较大的市场机会。

 

通讯类：主要应用于基站和光通信

5G基站需要集成高速的AD/DA，如今5G基站每隔几百米一个，每个基站都有AD/DA产品的需求。目前主流的供应商就是ADI和TI，国内在该领域比较领先的是华为海思，但目前受到制裁困扰；中兴也在尝试做。

 

 

国内现状与未来发展

 

 

 

目前，全球ADC、DAC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%。

国内ADC玩家主要有圣邦微、思瑞浦、中电24所、中科院微电子所、苏州迅芯微、苏州云芯微、芯炽科技、奥令科等公司。

 

 

 

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。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，两者总是相互制约，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。国内企业还需要很多的时间去尝试和迭代，做出最适合本土市场的产品。