模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)綜述及專利申請(qǐng)狀況分析

李　敏（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心,武漢　430070）

模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)綜述及專利申請(qǐng)狀況分析

李敏
（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心,武漢430070）

摘要：文章論述了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展歷史，主要分類，以及以國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)數(shù)據(jù)為分析樣本，從專利的申請(qǐng)年代分布、專利申請(qǐng)產(chǎn)出國(guó)及重點(diǎn)申請(qǐng)人等角度進(jìn)行了分析和研究。

關(guān)鍵詞：ADC；模數(shù)轉(zhuǎn)換器專利；研究分析

1　模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展歷史

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Anаlog-to-DigitаlConverter，ADC）在現(xiàn)代生活中被廣泛應(yīng)用，從智能手機(jī)到互聯(lián)網(wǎng)，從醫(yī)療圖像設(shè)備到平板電腦，ADC在各式各樣的電氣設(shè)備中連接我們周圍的實(shí)際物理世界至數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備。在過(guò)去40年里，隨著計(jì)算機(jī)、通信、多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)日益快速進(jìn)步，促使數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)功能更加復(fù)雜和多樣化，高性能ADC已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)不可或缺的部分。特別是在雷達(dá)、聲吶、高速高分辨率的視頻和圖像顯示、軍用和醫(yī)療成像以及包括無(wú)線電和基站接收機(jī)在內(nèi)的現(xiàn)代數(shù)字通信等應(yīng)用方面，對(duì)高速高精度ADC的要求和需求越來(lái)越高，以現(xiàn)代通訊系統(tǒng)如智能手機(jī)、平板電腦等手持設(shè)備的快速發(fā)展、大力普及和應(yīng)用，要求更低功耗的ADC。因此，低功耗高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

各種不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能有著不同的需求，因此ADC同時(shí)發(fā)展處各種各樣適合不同場(chǎng)合的結(jié)構(gòu)。根據(jù)采樣率的不同，模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要可分為過(guò)采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器和乃奎斯特采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器兩大類。其主要結(jié)構(gòu)有全并行ADC、折疊內(nèi)插ADC、逐次逼近ADC、流水線ADC和∑-ΔADC等。同數(shù)字集成電路摩爾定律類似，模擬電路摩爾定律指出，ADC的平均性能約6.1年提高一倍，高端ADC的性能約4.7年提高一倍。按此趨勢(shì)發(fā)展，到2032年，高端ADC有可能實(shí)現(xiàn)16-bit精度和高達(dá)1Ghz的采樣頻率。與其它結(jié)構(gòu)的ADC相比，流水線ADC精度比全并行ADC和逐次逼近ADC高，帶寬比∑-Δ寬，由于其合適的精度和速度特性，流水線ADC成為通訊領(lǐng)域應(yīng)用的首選。

目前，ADC的發(fā)展和研究方向主要是向著高速高精度、低功耗、片上系統(tǒng)和用數(shù)字校正算法校正等四個(gè)方向發(fā)展。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究和設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界雙方多年共同的努力，日益成熟。高性能低功耗的ADC設(shè)計(jì)始終是集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。在國(guó)際上，學(xué)術(shù)界研究ADC比較領(lǐng)先的學(xué)校有U.C.Berkekey,MIT,Stаnford等大學(xué)。工業(yè)界有美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體、德州儀器、美信和凌特等知名大公司。

在我國(guó)，應(yīng)用ADC的片上系統(tǒng)，僅智能手機(jī)和導(dǎo)航系統(tǒng)等所占市場(chǎng)份額，每年就已經(jīng)達(dá)到幾百億人民幣。但是相對(duì)于國(guó)際先進(jìn)水平，我國(guó)不但工藝落后，而且起步較晚，研究水平也落后。從論文的發(fā)表情況來(lái)看，對(duì)ADC的研究在2005年以前，多以仿真結(jié)果為主，如清華大學(xué)在2002年才在無(wú)錫上華采用0.8μm2Ρ2MCMOS工藝設(shè)計(jì)并流片了一個(gè)13-bit5MS/s流水線ADC。2005年以后，國(guó)內(nèi)各大高校，如清華大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)及東南大學(xué)等，還有各個(gè)研究所如中科院微電子所、半導(dǎo)體所、航天部772所和24所等都對(duì)ADC加大了研究，并且獲得不錯(cuò)的研究成果。如2008年復(fù)旦大學(xué)在國(guó)際固態(tài)電路雜志（JSSC）上發(fā)表了10-b30MS/s低功耗流水線ADC，2009年再次在歐洲固態(tài)電路會(huì)議（ESSCRIC）上發(fā)表了14-b100MS/s流水線ADC，在同一年清華大學(xué)也發(fā)表了一個(gè)13-b8MB/s流水線ADC，2010年清華大學(xué)發(fā)表了一個(gè)低功耗12-b40MS/s流水線ADC，東南大學(xué)則發(fā)表了一個(gè)10-b 100MS/s流水線ADC。但是要看到，雖然我過(guò)在ADC研究方面取得了一定的進(jìn)展，但是與國(guó)外領(lǐng)先的設(shè)計(jì)水平相比，還存在相當(dāng)大的差距，尤其是高速高進(jìn)度ADC上。

2　模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其分類

模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將模擬信號(hào)量化轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的系統(tǒng)，圖1給出其工作原理。首先，前端采樣保持電路在采樣相，對(duì)輸入的連續(xù)變化的模擬信號(hào)Vin進(jìn)行采樣，連續(xù)的模擬信號(hào)就轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號(hào)。采樣保持電路在其后的保持相，將采樣的結(jié)構(gòu)傳遞到后面的量化器。量化器則對(duì)前面采樣后保持的結(jié)果進(jìn)行量化，量化結(jié)果由后端的數(shù)字信號(hào)處理部件進(jìn)行編碼，最后由其給出對(duì)應(yīng)于輸入模擬信號(hào)的數(shù)字輸出值。

圖1　模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理圖

由于輸入信號(hào)Vin在幅度上是連續(xù)的，所以采樣得到的離散信號(hào)Vs(t)在采樣周期內(nèi)的幅值上的任意一點(diǎn)。量化過(guò)程就是將這些采樣值量化取整為最小單位的整數(shù)倍，其中這個(gè)最小單位被稱為最小量化單位，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出值可寫為：

式（1）中，Vin為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬輸入量，Dout是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出量，Δ為量化單位，int是取整函數(shù)。假設(shè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器中參考電壓為Vref，模擬輸入信號(hào)范圍為0-Vref，那么式（1）改寫為：

ADC有很多種類型，按結(jié)構(gòu)分有串行、并行和串并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器；按性能分可分為高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器；按采樣頻率與被采樣信號(hào)頻率的關(guān)系，可分為乃奎斯特采樣率模數(shù)轉(zhuǎn)換器和過(guò)采樣率模數(shù)轉(zhuǎn)換器。不同的類型決定了不同ADC的特性和應(yīng)用范圍，如圖2所示。

圖2　不同結(jié)構(gòu)ADC性能對(duì)比

3　模數(shù)轉(zhuǎn)換器的專利申請(qǐng)

3.1申請(qǐng)量年度統(tǒng)計(jì)

圖3顯示了1989年到2014年的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器、兩步式模數(shù)轉(zhuǎn)換器、流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器、逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器及∑-Δ過(guò)采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器的總申請(qǐng)量情況?？梢?jiàn)，目前的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中兩步式模數(shù)轉(zhuǎn)換器占相對(duì)主要地位，占總量的32%。其利用較小的面積和較低的功耗來(lái)實(shí)現(xiàn)了與其它模數(shù)轉(zhuǎn)換器相同的精度，是模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)總的不二之選。其次是流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器及∑-Δ過(guò)采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由于其速度有限，只能適用于低速領(lǐng)域。而全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器及逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器是近年才研發(fā)的技術(shù)，申請(qǐng)量較少。

圖3

圖4-8顯示了1989年到2014年的全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器、兩步式模數(shù)轉(zhuǎn)換器、流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器、逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器及∑-Δ過(guò)采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器每年的申請(qǐng)量情況，從圖中可以看出這五類模數(shù)轉(zhuǎn)換器的申請(qǐng)量總體趨勢(shì)是逐漸增加的，但是起步較晚，尤其逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，且這五類模數(shù)轉(zhuǎn)換器的迅猛發(fā)展都集中在2000年以后。

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

圖9

3.2專利申請(qǐng)產(chǎn)出國(guó)分布

專利申請(qǐng)產(chǎn)出國(guó)一般是指一項(xiàng)技術(shù)的原創(chuàng)技術(shù)國(guó)，一般而言，一個(gè)國(guó)家擁有的原創(chuàng)技術(shù)越多，說(shuō)明其在該技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)能力和技術(shù)實(shí)力越強(qiáng)。

通過(guò)對(duì)檢索到的專利文獻(xiàn)產(chǎn)出國(guó)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（如圖9所示），排名靠前的國(guó)家依次為美國(guó)、日本、中國(guó)、韓國(guó)和歐洲，一定程度體現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展情況，美國(guó)以2359項(xiàng)的優(yōu)勢(shì)排名第一，中國(guó)申請(qǐng)人對(duì)該項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)專利的數(shù)量為1165項(xiàng)。

3.3在華主要申請(qǐng)人分析

前五名的申請(qǐng)人主要包括：三星電子株式會(huì)社（共440件）、皇家飛利浦電子股份有限公司（共300件）、國(guó)家電網(wǎng)公司（共276件）、華為技術(shù)有限公司（共260件）以及NXΡ公司（共231件）。

4　總結(jié)

現(xiàn)代集成電路器件尺寸不斷減小，速度不斷加快，集成度不斷提高。廉價(jià)、高速的數(shù)字集成電路已經(jīng)能夠完成相當(dāng)復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理功能和任務(wù)。而且，數(shù)字技術(shù)具有許多模擬技術(shù)不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如抗干擾能力強(qiáng)，便于傳輸，存儲(chǔ)無(wú)損失，精度高，多功能等。因此，許多采用傳統(tǒng)的模擬方法實(shí)現(xiàn)的信號(hào)處理任務(wù)今天都由數(shù)字技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以降低設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)難度。同時(shí)人們對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)提出了跟高的要求，比如希望有更高的精度、速度以及更低的成本和功耗，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、集成度，從而降低成本。隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)有具有更高精度、速度以及更低成本和功耗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)。

作者簡(jiǎn)介：李敏（1982-）女，研究生，初級(jí)職稱，研究方向：編碼譯碼-專利審查。