ADC芯片

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芯⽚世界中的ADC，全称是Analog-to-Digital Converter, 模拟数字转换器！它是连接模拟世界与数字世界的桥梁，说的⽂艺⼀点，是ADC为这两个世界带来了爱情。

从宏观上看，⾃然界产⽣的信号，都是模拟信号，⽐如我们说话的声⾳，我们看到的图像，我们感受到的温度等等。但是这些模拟信号都得最终放在数字领域进⾏处理，存储或者传输，那如何把模拟信号转换成数字信号呢？对的，机智如你，我们需要⼀个转换器，它就是芯⽚界的⽼牌贵族—ADC！

说它⽼牌，因为第⼀个ADC芯⽚是由IBM的M. Klein于1974年发明，到2019年，已经整整45年的历史，它的基本架构、设计⽅法、原理已经⾮常之成熟!之所以称它为贵族，是因为这玩意很⾼冷，技术含量很⾼，卡脖⼦中的战⽃鸡。在ADC的技术和市场上，美帝企业如亚德诺（ADI），德州仪器（TI）等⼀骑绝尘！在全球市场份额上，其中ADI占有率最⾼，约为58%，TI的占有率约为25%。不幸的是，在不平等条约—《⽡森纳协议》下，⾼性能的ADC芯⽚在美帝的出⼝管控之中，⾼端ADC芯⽚甚⾄完全禁运到中国。

什么是⾼端ADC芯⽚呢？简单来说，它是区别于消费电⼦市场的ADC芯⽚，主要应⽤在军⼯、航空航天、有线⽆线通信、汽车、⼯业和医疗仪器（核磁共振、超声）等对⼯艺、性能、可靠性要求极⾼的领域。

ADC的基本指标

ADC芯⽚主要看两个基本指标，⼀个是速度—Speed，⼀个是精度—Resolution。顾名思义，速度代表着ADC可以转换多⼤带宽—Bandwidth的模拟信号，带宽对应的就是模拟信号频谱中的最⼤频率。精度就是衡量转换出来的数字信号与原来的模拟信号之前的差距。

ADC第⼀步操作是对模拟信号进⾏采样，说到采样，⼩麒要先引⼊⼀个20世纪信息论中伟⼤的⾹农-奈奎斯特采样定理：为了不失真地恢复模拟信号，采样频率应该⼤于等于模拟信号带宽的2倍。换句话说，如果ADC的采样频率是

Fs（Hz），那么它可以转换的模拟信号带宽⾄多是Fs/2（Hz）。对应采样频率为Fs（Hz）的ADC，它在时域⾥1秒中可以采集（1/Fs）点的信息。对于ADC的速度指标，我们通常⽤单位SPS（Sample Per Second）来表⽰，⽐如

1MSPS代表着1M Samples Per Second,对应的ADC的采样频率就是1MHz，可以转换的模拟信号带宽⾄多是0.5MHz。ADC第⼆步操作就是把采样的模拟信号量化成数字信号。数字信号代表的数值与模拟信号的真实数值之间的差距越⼩，代表着ADC的精度越⾼，我们通常⽤N-bit来表⽰精度，⽐如10-bit代表着数值之间的最⼤差距是1/(2^10)。精度越⾼的ADC，转换出来的数字信号越接近于原来真实的模拟信号。

ADC的应⽤场景及性能要求

记住，ADC芯⽚的速度和精度指标是相互折中，此消彼长的。对应于不同的应⽤场景，⽐如测量仪器、医疗电⼦、汽车电⼦、⼯业电⼦、有线/⽆线通信等，对ADC芯⽚的速度和精度都有着不尽相同的要求。在这⾥，⼩麒针对不同的应⽤场景做⼀下⼩⼩的总结。

1. 超低的信号带宽:

转换频率很低，时间上变化很慢的信号，如应⽤于⾼精度的体重计，温度计等测量仪器，ADC精度需求通常在20bit以上。

2. 低信号带宽:

转换频率低，带宽100Hz或者更⼩的信号，如应⽤于⽣物信号的测量，精度在8bit-18bit左右。

3. ⾳频带宽:

转换⼈⽿可以听到的20Hz-20KHz的声⾳信号，如应⽤于⽿机，Hi-Fi上⾯，精度在8bit-18bit左右。

4. 视频和图像带宽:

在此，⼩伙伴们回想⼀下这些年电视画⾯的变化，从⼩时候看的有雪花点的模拟电视到现代的⾼清数字电视⾥⾯，图像是越来越清晰了，ADC的性能需求也是越来越⾼了。模拟电视⾥⾯的ADC⼤概需要20MSPS，8bit的ADC，⽽现代的⾼清数字电视则需要80MSPS，12bit-14bit左右ADC。ADC在成像中应⽤除了电视，相机等消费类电⼦，也包括医疗电⼦、如X射线、超声波、核磁共振等。

5. 通信带宽:

⾼⼤上的⽆线通信领域可以划分为两个部分，⼀个是⼿机终端，⼀个是基站。从3G到4G，再到⽬前⽕热的5G通信，模拟信号带宽要求越来越⼤，但转换精度要求基本保持不变，显然易见，这两个部分对于ADC芯⽚的设计要求越来越⾼。5G通信下，⼿机终端需要160+MSPS，12bit的ADC芯⽚，基站⾥⾯需要250MSPS-1GSPS，14-16bit的ADC芯⽚。

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