眼下，中國的集成電路產業正在加緊追趕世界先進水平的腳步，除了像CPU、、GPU、DSP、FPGA這樣的核心處理器之外，我們在高性能模擬器件方面，還處於後來學習者的角色。而ADC/DAC是模數混合IC，是連接模擬和數字世界之間的橋樑，具有很高的技術含量。
ADC、DAC，特別是超高速（採樣率≥100Msps）芯片，是未來100G光通信、4G/5G基站、測試測量儀器設備，以及數字雷達等應用領域的核心器件，具有廣闊的應用和發展空間。
工作原理及分類
ADC的任務就是將模擬信號轉換為數字信號，其性能指標分為兩大類，一是動態指標，主要包括：採樣率，分辯率（又稱採樣精度），轉換速率(Conversion Rate)，無雜散動態範圍(SFDR)，信噪比（SNR），總諧波失真（THD）等，其中，採樣率決定了ADC單位時間內採樣的數據量，分辨率決定了採集信號的質量；二是靜態指標，主要包括：偏移增益誤差(Offset/Gain Error)，微分非線性（DNL），積分非線性（INL）等。
按照不同的架構，ADC可以分為Flash、SAR、Pipeline、Σ-Δ以及混合架構等類型。而為了更好地兼容速度、精度以及功耗，混合架構成為了目前研究的熱點。
DAC的任務則與ADC正相反，是將數字信號轉換為模擬信號，其主要指標也分為動態與靜態兩種，而DAC的架構主要包括電阻串型、電荷分佈型，以及電流舵型，其中，分段式電流舵型是高速、高精度DAC的首選架構。
製程工藝
ADC與DAC所採用的製程工藝主要包括以下三種：CMOS、GaAs HBT和SiGe BiCMOS。其中，CMOS的優點是便於與數字電路集成，且截止頻率高、功耗低；GaAs HBT的擊穿電壓高、但功耗較大；SiGe BiCMOS的截止頻率高，且具有抗輻射性，缺點也是功耗較高。
綜合考慮來看，CMOS工藝在功耗和集成度方面具有優勢，SiGe BiCMOS在提升採樣率、抗輻射方面有優勢。
市場格局
目前，全球ADC、DAC市場主要被幾家跨國大企業所壟斷，如ADI、TI、MAXIM、MICROCHIP等，其中，ADI市佔率最高，約為58%，TI佔比約為25%，MAXIM佔7%，MICROCHIP佔3%。
隨著應用需求不斷提升，市場對高速ADC、DAC的需求量越來越大，這裡的高速，指的是採樣速率≥1Msps，從統計數據來看，僅佔6%出貨量的高速數據轉換器，創造了近50%的行業銷售額。
研發歷史及現狀
隨著應用和技術的發展，ADC、DAC也呈現出了越來越清晰的發展趨勢，高採樣率、高分辨率以及低功耗是未來超高速ADC和DAC的發展方向。在ADC方面，其採樣精度和速度是相互制約的關係，大致符合1bit或6dB（以SNDR衡量）/倍頻的規律。
目前，超高速ADC、DAC已經成為各大公司和知名科研院所的重點研發項目，紛紛投入了大量人力和財力。
圖：ADC、DAC芯片研發歷史及現狀（來源：中科院微電子研究所）
在ADC方面，國際上，日本富士通公司於2011年研製出了64Gsps、8bit的產品，IBM於2014年採用32nm的SOICMOS工藝，研製了90Gsps、8bit的產品，而作為該領域的霸主級企業，ADI公司於2017年開發出了28nm的10Gsps、12bit產品，這裡，在保持較高採樣率的情況下，精度提升到了12bit，在業內處於領先地位。
由於ADC是測試測量儀器的核心器件，所以多數儀器廠商都採取自行研發ADC的方式，以滿足測試測量儀器的特殊需求，2017年，是德科技（Keysight）研製出了採用28nm工藝的8Gsps、10bit產品。
在示波器中，精度和速度永遠是矛盾的，總是相互制約，即ADC的位數和儀器的帶寬之間，總是需要權衡，是此消彼長的關係。在這方面，LeCroy區域銷售經理Scott Zhang表示，他們正在從8bit進階到12bit，為此，該公司在研發相關ADC方面投入了很大的財力和人力。因為示波器用的ADC與通用ADC產品不同，大都是由示波器設備廠商自己研發，因為普通ADC的採樣率很難滿足示波器的需求。
與國際高水平產品相比，我國在ADC方面，存在著2~3代的差距，還處於追趕階段。目前，國內在這方面處於領先地位的企業和科研院所包括：復旦大學，在2011年研發出了1Gsps、7bit的產品；中電集團24所於2011年研發了2Gsps、8bit的；中科院微電子所則於2016年開發出了32Gsps、6bit的；時代民芯（航天772所）於2013年研製出了3Gsps、8bit的，並於2016年推出了1Gsps、12bit的ADC；而最新的研究成果是，2018年，中科院微電子所研製成功了10Gsps、8bit的ADC。
除了以上企事業單位以外，華為海思也在進行相應的DAC/ADC芯片研發工作，但略顯神秘，曝出的產品和技術信息很有限。
另一家本土企業在這方面的研發工作有些爭議，就是蘇州雲芯微，該公司的產品精度較高，有12bit的、14bit的，也有16bit的，且與市場上被普遍採用的ADI公司主流產品的兼容性較好。
在DAC方面，國際上的先進企業主要包括：EUVIS，其在2010年研發出了8Gsps、12bit的產品；NTT公司則於2011年推出了60Gsps、6bit的；Ciena公司在2011年研製出了56Gsps、6bit的；日本富士通公司也在2011年推出了65Gsps、8bit的產品；而行業老大ADI公司，在2017年開發出了一款AD9172，採用28nm製程工藝，精度很高，達到12Gsps、16bit.
國內整體水平與國際先進企業也有著2~3代的差距，走在前沿的企事業單位主要包括：中科院半導體所、昆騰微電子、中科院微電子所，以及復旦大學等。
市場呼喚高性能和新技術
為了滿足市場應用的需求，全球的相關企業和科研院所都在高速ADC、DAC的研發方面增加投入，以開創更新、性能更好的技術和架構，如多通道時間交織ADC（TI_ADC）架構，以及分段式電流舵型DAC。目前來看，基於先進的微納米半導體工藝技術和創新的系統架構設計，是業界開發超高速ADC、DAC的主流路線。
要想創新，就必然要克服各種阻礙和挑戰，目前，超高速ADC、DAC就是要實現以更高採樣率和更高精度為代表的高性能，這在技術層面要解決兩大問題：一是電路架構，二是設計方法。
電路架構層面，就是如何提升電路的採樣速率，在ADC方面，業界正在攻堅多路並行採樣技術這一難題，而在DAC方面，則需要良好的高速、高線性度設計技術。
目前，業界正在研究用於超高速ADC的時間交織技術，而多通道時間交織ADC（TI_ADC）是實現高採樣率的主流架構，該技術的主要挑戰在於：通道間的失配對時間交織ADC的性能有著較大影響，如SNR、SFDR的惡化，輸出頻譜的雜散大，分辨率變差，ENOB減少，輸出波形存在失真和抖動。因此，通道間的失配校準是實現TI_ADC架構的關鍵技術。
在這方面，中科院微電子研究所高頻高壓中心研究員武錦給出了一套解決方案：可以基於FPGA進行數字模擬混合校正，該方法為單片時鐘交織ADC的研究提供了一種設計支撐，其優勢在於：算法靈活，硬件開銷小，縮短了單片時鐘交織ADC的研發週期。
據悉，通過該方法實現了芯片級雙通道時間交織4Gsps、8bit的ADC，這在國內同時期是處於領先地位的，當然，與國際高水平產品相比，還是有明顯差距的。
在接受半導體行業觀察採訪時，在中國模擬電路理論研究方面頗有建樹，來自於西安交通大學電氣工程學院的楊建國教授表示，他在ADC領域研究了多年，並擁有一個特別的ADC專利，採用了新的架構。
據楊建國教授介紹，傳統ADC是等時間採樣，有一個採樣率的概念。但他的ADC不是這樣，其數據採集過程就是記錄曲線不同位置的點，通過X、Y軸就能確定這些點，傳統ADC的核心是默認X是等增量遞增的，只記錄Y值。他的這個ADC是縱軸上畫了好多格子，超越這個格子，跨到另外一個格子的時候就計時，沒有信息就不計，他把這個ADC叫轉置ADC。這個ADC的突出特色就是採集到的信息不一定要壓縮，因為沒有信息它不採，如果它採集了就一定是有用信息，因此沒有必要壓縮。另外，該架構能以數字脈衝的方式傳遞模擬量，模擬量在時間軸上，這有可能突破現代ADC在縱軸上的瓶頸，比如在討論0.8微伏的噪聲電壓時，在縱軸上已經不能再低了，但在時間軸上，時間分辨率更高。這或許也是超高速數據轉換器的另外一個發展方向。
楊建國教授表示，他的這種ADC架構完全不同於傳統的，模擬量用光傳輸（可見光或紅外線），打出去後能直接把模擬量恢復出來，也可以把音頻信息直接恢復出來。另外，在隔離應用方面，這個架構的ADC能突破模擬信號在頻率方面的束縛。
在設計方法層面，需要解決信號完整性問題，業界引出了微波電磁場的分析方法。器件和電路的關鍵在於對信號傳輸機理和耦合機制的理解和應用，具體如下圖所示。
圖源：中科院微電子研究所
據武錦介紹，要解決這樣的問題，可以通過建立器件全波分析平臺來實現模擬電路的全場分析，可以通過建立廣義的信號分析網絡和“整體分析，局部優化”的信號分析方法，解決信號完整性問題。
可以採用“場路”結合的分析方法，開展高頻關鍵路徑的信號完整性研究，基於微波傳輸和匹配理論可建立超高速數據轉換器的設計平臺。在這樣的平臺上，可以進行電磁聯合仿真，更準確地提取關鍵路徑的寄生參數，從而基於仿真和理論研究得出設計規則。
通過以上設計方法，可以提升DAC的性能，消除ADC的輸出錯碼，性能也得到了改善。
目前，國內在進行超高速ADC先進技術和架構研究的科研院所主要有中電55所，清華大學，復旦大學，以及中科院微電子所。
從事超高速DAC研究的主要有中電24所，復旦大學，以及中科院微電子所，如復旦大學於2013年研製出了CMOS 1Gsps、12bit的DAC，而中科院微電子所也於2013年研製出了SiGe基10Gsps、8bit的DAC.
綜上，像ADI和TI這樣的國際大企業，一直處於數據轉換器行業的前沿，並引領著發展潮流，此外，高性能測試測量儀器廠商也都有自己的ADC研發團隊，不斷有高水準的專用產品推出。相比較而言，中國的技術水平和市場影響力還很有限，但我們的市場和應用空間巨大，且數據轉換器是連接現實模擬世界和虛擬數字世界之間的橋樑，具有多個關鍵參數，相應的技術發展永無止境，還需要不斷努力。
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