文 | 半导体产业纵横
在电子信息产业的复杂生态中，模数转换器（analog-to-digital converter，ADC）是连接模拟世界与数字世界的“桥梁”。作为电子信息系统的核心器件，承担着将连续变化的模拟信号（如声音、电压、射频信号等）转化为离散数字信号的关键任务，其性能直接决定了电子设备对外部信息的采集精度与处理效率。而高性能ADC是集成电路设计领域的研究热点与难点，是最复杂、难度最大的模拟集成电路。
最近，新凯来旗下子公司万里眼研发的90GHz超高速实时示波器，采样率达到200 GSa/S，一举达到世界第二的水平。鲜为人知的是，示波器性能突破的背后，离不开ADC芯片技术的支撑，这一成果背后，正是我国在ADC芯片领域实现关键突破的有力证明。
高性能ADC受到进口限制
要理解ADC芯片的重要性，首先需明确其技术分类与应用需求。
根据采样定理，在模拟信号到数字信号的转换过程中，采样率至少达到模拟信号带宽的2倍，采样后的信号才能完整保留原始信号的全部信息，而保证采样信号不失真的最小频率（2倍信号带宽），被称为奈奎斯特频率。基于这一原理，结合信号带宽和采样率的关系，ADC可分为奈奎斯特型ADC和过采样型ADC两类；若按结构和工作方式划分，又可细分为 SAR ADC、Delta-Sigma ADC（Δ-Σ ADC）等多种类型，不同类型的ADC在性能侧重上各有不同，适配的应用场景也存在差异。
具体来看，奈奎斯特型ADC往往偏向高速方向：其中Flash ADC主要应用于转换速度要求极高的场景，比如高速通信领域；Pipeline ADC（流水线ADC）在保证较快速度的同时，还能实现中高精度，因此广泛应用于无线通信和部分图像传感领域；普通的SAR ADC具备中等精度和较快速度，主要优势在于能源效率，非常适合物联网、便携设备和生物传感等对功耗敏感的领域；而由SAR ADC构成的Pipelined-SAR ADC，能够在保持较快速度的基础上进一步提升转换精度，拓展了其应用边界。
与之相对，过采样型ADC往往偏向高精度方向：Delta Sigma ADC是典型的过采样型ADC，在高精度领域优势显著，但带宽有限和能效较差；Zoom ADC通过结合Delta-Sigma ADC与SAR ADC，以较小的面积和功耗开销实现了高精度转换；NS-SAR ADC则是一种基于SAR ADC的过采样ADC，相比Delta Sigma ADC更侧重提升带宽，在精度、带宽和功耗之间取得良好平衡，在图像传感和通信领域均有应用。
随着无线移动通信、物联网与传感器、光传输和光通信、智能传感器等新兴应用领域的快速发展，以及雷达与精确制导、仪器仪表与医学成像等传统应用领域的技术革新，对模数转换器的性能需求不断增加。射频信号感知与测量等领域要求模数转换器覆盖宽带，同时兼顾高精度，例如电子对抗、电磁干扰等系统需要12∼14位10+GS/s射频采样模数转换器，高速高精度示波器需要12位不低于10 GS/s的模数转换器；光通信与有线通信等领域需要中等精度采样率达到64+GS/s的模数转换器；精密工业控制与智能传感等领域要求低延时分辨率超24位的超高精度模数转换器。
然而，长期以来，全球高端ADC市场始终被少数国外企业垄断。更值得关注的是，美国将部分高分辨率、高速ADC产品纳入出口管制清单，例如采样速率400MSPS（Million Samples per Second，即每秒百万次采样）以上的12-14bits ADC，这不仅限制了国内高端电子设备的研发与生产，更对我国的自主安全构成了潜在威胁。
在此背景下，国内企业近年来持续加大研发投入，突破技术瓶颈，在高速、高位宽两大核心领域实现了高端ADC的全面突破，同时高端模拟生产线建设也加速推进，正逐步打破国外垄断格局。
高速ADC实现性能跃升，助力国产示波器突破
高速ADC作为雷达、5G通信、无线传输等领域的核心器件，其采样率与精度直接决定了设备对高速信号的捕捉能力。此前，国外企业在该领域长期占据技术高地，国内产品难以企及。但近年来，国内企业不断突破技术极限，推出了多款性能达到国际领先水平的高速ADC产品。
迅芯微电子在高速ADC领域展现出了强劲的技术实力，其AAD08S056G是采用CMOS工艺制造的高速模数转换芯片。采样率最高可达50GS/s，分辨率为8bit。该芯片采用多路时间交织ADC（TI-ADC）架构，共集成128路子ADC，每一路ADC采用低功耗逐次比（SAR）架构。在输出接口方面，芯片集成16路高速串行输出接口，每路最高速率20Gbps。芯片将转换的8bit数字信号与PRBS11码进行异或运算加扰，然后通过高速串行接口输出。
更令人振奋的是，今年八月，由中国科学院微电子研究所，迅芯微电子（苏州）股份有限公司，深圳市万里眼技术有限公司为主要完成单位的“200GSa/s超高速实时示波器核心技术及应用”斩获中国仪器仪表学会科学技术奖技术发明一等奖。项目亮点显示，全力聚焦超高速高精度ADC/DAC芯片研发，突破100+GSa/s采样率、12bit精度技术瓶颈，满足高端示波器、光通信设备国产化需求。这也是国产示波器突破背后的关键技术之一。
另一家在高速ADC领域持续发力的企业是成都华微。9月1日晚间，成都华微发布公告，宣布公司研发的4通道12位40G高速高精度射频直采ADC于近日成功发布。这款型号为HWD12B40GA4的ADC芯片4通道模式下支持采样率24~40GSPS可配置，双通道模式下支持采样率48~80GSPS可配置。输入模拟带宽高达19GHz，噪声谱密度低至-152dBFs/Hz，无杂散动态范围在输入频率18GHz内(Ku频段内)高达54dB以上，输出采用96对JESD204C高速串行接口，支持芯片内和芯片间多通道同步功能，具备高可靠性的特点。
更重要的是，该芯片采用全自主正向设计，拥有完全知识产权，其生产工艺依托国内厂商，真正实现了从研发到生产的全链条可控，目前已申请多项国内外发明专利，彻底摆脱了对国外技术与生产环节的依赖。
高位宽ADC精准对标国际高端
如果说高速ADC的核心竞争力在于“速度”，那么高位宽ADC则更注重“精度”。
高精度ADC一般指分辨率超过14 bit的ADC，常应用于音频、测量、生物医疗等领域，在数据采集、工业控制、医疗电子等领域发挥着不可替代的作用，例如在医疗影像设备中，高位宽ADC能够精准转换微弱的生物电信号，为疾病诊断提供清晰、准确的数据支持；在工业自动化控制系统中，它能精准采集传感器信号，保障生产过程的稳定性与精度。此前，国内高位宽ADC产品在性能上与国际高端产品存在明显差距，但近年来，国内企业迎头赶上，推出的多款高位宽ADC产品已实现精准对标，成功打破了国外产品的垄断。
海思在高位宽ADC领域的突破具有代表性，其推出的SAR（逐次逼近寄存器）架构ADC产品——AC9610，在高位宽领域实现了重要突破。该芯片在采样率达到2MSPS的情况下，采样精度高达24bit，直接对标ADI的高端产品AD4630-24。AD4630-24作为国际高位宽ADC领域的标杆产品，凭借高精度、低功耗的特性，长期占据国内高端市场。海思AC9610的出现，不仅在性能上与AD4630-24持平，更在成本与供应链稳定性上具备优势，为国内需要高精度信号转换的设备厂商提供了更优选择，推动了国内高位宽ADC市场的国产化进程。
另一家企业，核芯互联也在多通道高位宽ADC领域也取得了重要进展，正式发布全新一代8/4通道24位同步采样模数转换器（ADC）——CL2468。该芯片在性能与兼容性上表现突出：在采样性能方面，具备8通道同步采样能力，最高采样率可达512Ksps，同时拥有卓越的动态性能与灵活的功耗调节方案，能够满足不同应用场景下对精度、速度与功耗的多样化需求；在兼容性方面，CL2468在硬件和寄存器上完全兼容ADI的经典产品AD7768，这意味着使用AD7768的客户无需对现有系统进行大幅改造，即可直接替换为CL2468，降低了国产化的成本与难度。此外，CL2468还提供拓展寄存器配置，可进一步提升采样率与输入带宽，为未来更高性能需求的应用预留了升级空间。
CL2468的推出，为数据采集、工业控制、医疗电子等领域提供了高精度、低功耗的信号转换解决方案，不仅填补了国内多通道高位宽ADC领域的技术空白，更推动了相关行业的国产化进程，提升了国内电子设备厂商在全球市场的竞争力。
高端模拟生产线保障产能与自主
技术突破之外，产能保障是推动国产ADC持续发展的另一关键。
日前，士兰微宣布公司及全资子公司厦门士兰微与厦门半导体、新翼科技共同向子公司士兰集华增资51亿元，其中士兰微方面合计出资15亿元，此次增资的核心目的是投建12英寸高端模拟集成电路芯片制造生产线项目。这一项目的落地，标志着国内在高端模拟芯片生产领域迈出了重要一步。
从项目规划来看，该12英寸高端模拟集成电路芯片制造生产线项目落地于厦门海沧区，规划总投资高达200亿元，分两期实施：一期投资100亿元，计划于2027年四季度正式投产，投产后月产能可达2万片；二期将再投资100亿元，新增月产能2.5万片，项目全部达产后，月产能将达到4.5万片（折合年产54万片）。
从产品定位来看，士兰集华作为该项目的实施主体，其生产的产品将瞄准汽车、工业等领域的关键芯片。汽车电子与工业控制领域对芯片的可靠性、稳定性与精度要求极高，此前这些领域的高端芯片长期依赖进口，该项目的投产将填补国内在这些领域关键芯片生产的空白，进一步完善国内高端模拟芯片产业链。
近年来，国产高端ADC在技术与产业层面均取得了突破性进展。未来，国产高端ADC的发展仍需在以下方面持续发力：一是持续优化芯片性能，在提升采样率、精度的同时，进一步降低功耗与成本，提升产品在全球市场的竞争力；二是拓展应用场景，除了当前覆盖的雷达、5G通信、工业控制等领域，还应向新能源汽车、人工智能、量子计算等新兴领域延伸，挖掘市场潜力；三是完善产业链协同，加强芯片设计、生产、封装测试等环节的协同合作，推动国内ADC产业链整体升级。
随着技术的不断进步与产业生态的逐步完善，国产高端ADC必将在保障我国电子信息产业自主安全、推动产业高质量发展中发挥更加重要的作用，未来有望在全球高端ADC市场占据重要地位。
未来ADC芯片的发展趋势
展望未来，ADC芯片的技术迭代将围绕架构创新、工艺升级与智能化融合展开。
首先，随着工艺节点不断缩小，传统架构ADC面临速度和能效瓶颈，而混合架构ADC具有速度快、能效高、适应先进工艺的优点，因此成为未来高速ADC发展的主要方向。
其次，在工艺选择上，由于化合物工艺器件的截止频率远高于硅基工艺，同时GaN、InP等化合物半导体自身具备优于硅基的耐压特性，能够有效解决可靠性问题，因此采用基于化合物半导体工艺，成为未来超宽带射频采样前端的发展趋势。不过，受限于成本和工艺实现复杂度，未来相关研发工作可能会更多集中于采样电路规模的缩减以及工艺的优化方面，以平衡性能与成本。
此外，ADI和TI有3500多种ADC产品，而国内只有300多种，在产品种类上存在巨大差距。而高性能ADC的研发周期长，研发投入大，成本高昂，难以适应市场快速迭代以及激增的需求。可重构ADC成为研发趋势，途径之一是可编程的数字抽取滤波器。途径之二是针对高精度ADC本身进行不同模块的重组，实现跨架构系统可重构以及多场景多模态高精度应用。
值得关注的是，人工智能、神经网络等技术也将为ADC性能提升提供新的助力。通过使用遗传算法、粒子群优化、神经网络等AI算法，迭代误差函数系数，使适应度函数最大（或最小）化，有望有效消除ADC误差。这类方法通常具有收敛速度快、校准范围大、校准误差种类多的优点，将成为提升ADC精度与稳定性的重要技术方向。
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