模數轉換技術綜述及專利申請狀況分析

李　敏（國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心,武漢　430070）

模數轉換技術綜述及專利申請狀況分析

李敏
（國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心,武漢430070）

摘要：文章論述了模數轉換器的發展歷史，主要分類，以及以國內外專利申請數據為分析樣本，從專利的申請年代分布、專利申請產出國及重點申請人等角度進行了分析和研究。

關鍵詞：ADC；模數轉換器專利；研究分析

1　模數轉換技術的發展歷史

模數轉換器（Anаlog-to-DigitаlConverter，ADC）在現代生活中被廣泛應用，從智能手機到互聯網，從醫療圖像設備到平板電腦，ADC在各式各樣的電氣設備中連接我們周圍的實際物理世界至數字信號處理設備。在過去40年里，隨著計算機、通信、多媒體技術的飛速發展，半導體制造工藝技術日益快速進步，促使數字信號處理技術功能更加復雜和多樣化，高性能ADC已經成為現代數字信號處理系統不可或缺的部分。特別是在雷達、聲吶、高速高分辨率的視頻和圖像顯示、軍用和醫療成像以及包括無線電和基站接收機在內的現代數字通信等應用方面，對高速高精度ADC的要求和需求越來越高，以現代通訊系統如智能手機、平板電腦等手持設備的快速發展、大力普及和應用，要求更低功耗的ADC。因此，低功耗高性能的模數轉換器一直是國內外研究的熱點和難點。

各種不同的應用場合對模數轉換器的性能有著不同的需求，因此ADC同時發展處各種各樣適合不同場合的結構。根據采樣率的不同，模數轉換器主要可分為過采樣模數轉換器和乃奎斯特采樣模數轉換器兩大類。其主要結構有全并行ADC、折疊內插ADC、逐次逼近ADC、流水線ADC和∑-ΔADC等。同數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。按此趨勢發展，到2032年，高端ADC有可能實現16-bit精度和高達1Ghz的采樣頻率。與其它結構的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成為通訊領域應用的首選。

目前，ADC的發展和研究方向主要是向著高速高精度、低功耗、片上系統和用數字校正算法校正等四個方向發展。模數轉換器的研究和設計經過工業界和學術界雙方多年共同的努力，日益成熟。高性能低功耗的ADC設計始終是集成電路設計領域研究的熱點之一。在國際上，學術界研究ADC比較領先的學校有U.C.Berkekey,MIT,Stаnford等大學。工業界有美國國家半導體、德州儀器、美信和凌特等知名大公司。

在我國，應用ADC的片上系統，僅智能手機和導航系統等所占市場份額，每年就已經達到幾百億人民幣。但是相對于國際先進水平，我國不但工藝落后，而且起步較晚，研究水平也落后。從論文的發表情況來看，對ADC的研究在2005年以前，多以仿真結果為主，如清華大學在2002年才在無錫上華采用0.8μm2Ρ2MCMOS工藝設計并流片了一個13-bit5MS/s流水線ADC。2005年以后，國內各大高校，如清華大學，復旦大學及東南大學等，還有各個研究所如中科院微電子所、半導體所、航天部772所和24所等都對ADC加大了研究，并且獲得不錯的研究成果。如2008年復旦大學在國際固態電路雜志（JSSC）上發表了10-b30MS/s低功耗流水線ADC，2009年再次在歐洲固態電路會議（ESSCRIC）上發表了14-b100MS/s流水線ADC，在同一年清華大學也發表了一個13-b8MB/s流水線ADC，2010年清華大學發表了一個低功耗12-b40MS/s流水線ADC，東南大學則發表了一個10-b 100MS/s流水線ADC。但是要看到，雖然我過在ADC研究方面取得了一定的進展，但是與國外領先的設計水平相比，還存在相當大的差距，尤其是高速高進度ADC上。

2　模數轉換器及其分類

模數轉換器是將模擬信號量化轉變為數字信號的系統，圖1給出其工作原理。首先，前端采樣保持電路在采樣相，對輸入的連續變化的模擬信號Vin進行采樣，連續的模擬信號就轉變為離散信號。采樣保持電路在其后的保持相，將采樣的結構傳遞到后面的量化器。量化器則對前面采樣后保持的結果進行量化，量化結果由后端的數字信號處理部件進行編碼，最后由其給出對應于輸入模擬信號的數字輸出值。

圖1　模數轉換器的基本原理圖

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

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

ADC有很多種類型，按結構分有串行、并行和串并行模數轉換器；按性能分可分為高分辨率的模數轉換器和高速模數轉換器；按采樣頻率與被采樣信號頻率的關系，可分為乃奎斯特采樣率模數轉換器和過采樣率模數轉換器。不同的類型決定了不同ADC的特性和應用范圍，如圖2所示。

圖2　不同結構ADC性能對比

3　模數轉換器的專利申請

3.1申請量年度統計

圖3顯示了1989年到2014年的全并行模數轉換器、兩步式模數轉換器、流水線模數轉換器、逐次逼近模數轉換器及∑-Δ過采樣模數轉換器的總申請量情況。可見，目前的模數轉換器中兩步式模數轉換器占相對主要地位，占總量的32%。其利用較小的面積和較低的功耗來實現了與其它模數轉換器相同的精度，是模數轉換器設計總的不二之選。其次是流水線模數轉換器及∑-Δ過采樣模數轉換器，由于其速度有限，只能適用于低速領域。而全并行模數轉換器及逐次逼近模數轉換器是近年才研發的技術，申請量較少。

圖3

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

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

圖9

3.2專利申請產出國分布

專利申請產出國一般是指一項技術的原創技術國，一般而言，一個國家擁有的原創技術越多，說明其在該技術領域的研發能力和技術實力越強。

通過對檢索到的專利文獻產出國進行統計分析（如圖9所示），排名靠前的國家依次為美國、日本、中國、韓國和歐洲，一定程度體現了模數轉換技術的發展情況，美國以2359項的優勢排名第一，中國申請人對該項技術申請專利的數量為1165項。

3.3在華主要申請人分析

前五名的申請人主要包括：三星電子株式會社（共440件）、皇家飛利浦電子股份有限公司（共300件）、國家電網公司（共276件）、華為技術有限公司（共260件）以及NXΡ公司（共231件）。

4　總結

現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、高速的數字集成電路已經能夠完成相當復雜的數字信號處理功能和任務。而且，數字技術具有許多模擬技術不能比擬的優點，例如抗干擾能力強，便于傳輸，存儲無損失，精度高，多功能等。因此，許多采用傳統的模擬方法實現的信號處理任務今天都由數字技術來實現，以降低設計成本和設計難度。同時人們對信號處理系統提出了跟高的要求，比如希望有更高的精度、速度以及更低的成本和功耗，從而提高整個系統的可靠性、集成度，從而降低成本。隨著模數轉換技術的發展，將會有具有更高精度、速度以及更低成本和功耗的模數轉換器出現。

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