模数转换技术综述及专利申请状况分析

摘 要：文章论述了模数转换器的发展历史，主要分类，以及以国内外专利申请数据为分析样本，从专利的申请年代分布、专利申请产出国及重点申请人等角度进行了分析和研究。

关键词：ADC；模数转换器专利；研究分析

1 模数转换技术的发展历史

模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）在现代生活中被广泛应用，从智能手机到互联网，从医疗图像设备到平板电脑，ADC在各式各样的电气设备中连接我们周围的实际物理世界至数字信号处理设备。在过去40年里，随着计算机、通信、多媒体技术的飞速发展，半导体制造工艺技术日益快速进步，促使数字信号处理技术功能更加复杂和多样化，高性能ADC已经成为现代数字信号处理系统不可或缺的部分。特别是在雷达、声呐、高速高分辨率的视频和图像显示、军用和医疗成像以及包括无线电和基站接收机在内的现代数字通信等应用方面，对高速高精度ADC的要求和需求越来越高，以现代通讯系统如智能手机、平板电脑等手持设备的快速发展、大力普及和应用，要求更低功耗的ADC。因此，低功耗高性能的模数转换器一直是国内外研究的热点和难点。

各种不同的应用场合对模数转换器的性能有着不同的需求，因此ADC同时发展处各种各样适合不同场合的结构。根据采样率的不同，模数转换器主要可分为过采样模数转换器和乃奎斯特采样模数转换器两大类。其主要结构有全并行ADC、折叠内插ADC、逐次逼近ADC、流水线ADC和∑-ΔADC等。同数字集成电路摩尔定律类似，模拟电路摩尔定律指出，ADC的平均性能约6.1年提高一倍，高端ADC的性能约4.7年提高一倍。按此趋势发展，到2032年，高端ADC有可能实现16-bit精度和高达1Ghz的采样频率。与其它结构的ADC相比，流水线ADC精度比全并行ADC和逐次逼近ADC高，带宽比∑-Δ宽，由于其合适的精度和速度特性，流水线ADC成为通讯领域应用的首选。

目前，ADC的发展和研究方向主要是向着高速高精度、低功耗、片上系统和用数字校正算法校正等四个方向发展。模数转换器的研究和设计经过工业界和学术界双方多年共同的努力，日益成熟。高性能低功耗的ADC设计始终是集成电路设计领域研究的热点之一。在国际上，学术界研究ADC比较领先的学校有U.C.Berkekey， MIT， Stanford等大学。工业界有美国国家半导体、德州仪器、美信和凌特等知名大公司。

在我国，应用ADC的片上系统，仅智能手机和导航系统等所占市场份额，每年就已经达到几百亿人民币。但是相对于国际先进水平，我国不但工艺落后，而且起步较晚，研究水平也落后。从论文的发表情况来看，对ADC的研究在2005年以前，多以仿真结果为主，如清华大学在2002年才在无锡上华采用0.8μm2P2M CMOS工艺设计并流片了一个13-bit 5MS/s流水线ADC。2005年以后，国内各大高校，如清华大学，复旦大学及东南大学等，还有各个研究所如中科院微电子所、半导体所、航天部772所和24所等都对ADC加大了研究，并且获得不错的研究成果。如2008年复旦大学在国际固态电路杂志（JSSC）上发表了10-b 30MS/s低功耗流水线ADC，2009年再次在欧洲固态电路会议（ESSCRIC）上发表了14-b 100MS/s流水线ADC，在同一年清华大学也发表了一个13-b 8MB/s流水线ADC，2010年清华大学发表了一个低功耗12-b 40MS/s流水线ADC，东南大学则发表了一个10-b 100MS/s流水线ADC。但是要看到，虽然我过在ADC研究方面取得了一定的进展，但是与国外领先的设计水平相比，还存在相当大的差距，尤其是高速高进度ADC上。

2 模数转换器及其分类

模数转换器是将模拟信号量化转变为数字信号的系统，图1给出其工作原理。首先，前端采样保持电路在采样相，对输入的连续变化的模拟信号Vin进行采样，连续的模拟信号就转变为离散信号。采样保持电路在其后的保持相，将采样的结构传递到后面的量化器。量化器则对前面采样后保持的结果进行量化，量化结果由后端的数字信号处理部件进行编码，最后由其给出对应于输入模拟信号的数字输出值。

由于输入信号Vin在幅度上是连续的，所以采样得到的离散信号Vs（t）在采样周期内的幅值上的任意一点。量化过程就是将这些采样值量化取整为最小单位的整数倍，其中这个最小单位被称为最小量化单位，模数转换器的输出值可写为：

式（1）中，Vin为模数转换器的模拟输入量，Dout是模数转换器的数字输出量，Δ为量化单位，int是取整函数。假设模数转换器中参考电压为Vref，模拟输入信号范围为0-Vref，那么式（1）改写为：

（2）

ADC有很多种类型，按结构分有串行、并行和串并行模数转换器；按性能分可分为高分辨率的模数转换器和高速模数转换器；按采样频率与被采样信号频率的关系，可分为乃奎斯特采样率模数转换器和过采样率模数转换器。不同的类型决定了不同ADC的特性和应用范围，如图2所示。

3 模数转换器的专利申请

3.1 申请量年度统计

图3显示了1989年到2014年的全并行模数转换器、两步式模数转换器、流水线模数转换器、逐次逼近模数转换器及∑-Δ过采样模数转换器的总申请量情况。可见，目前的模数转换器中两步式模数转换器占相对主要地位，占总量的32%。其利用较小的面积和较低的功耗来实现了与其它模数转换器相同的精度，是模数转换器设计总的不二之选。其次是流水线模数转换器及∑-Δ过采样模数转换器，由于其速度有限，只能适用于低速领域。而全并行模数转换器及逐次逼近模数转换器是近年才研发的技术，申请量较少。

图4-8显示了1989年到2014年的全并行模数转换器、两步式模数转换器、流水线模数转换器、逐次逼近模数转换器及∑-Δ过采样模数转换器每年的申请量情况，从图中可以看出这五类模数转换器的申请量总体趋势是逐渐增加的，但是起步较晚，尤其逐次逼近模数转换器，且这五类模数转换器的迅猛发展都集中在2000年以后。

3.2 专利申请产出国分布

专利申请产出国一般是指一项技术的原创技术国，一般而言，一个国家拥有的原创技术越多，说明其在该技术领域的研发能力和技术实力越强。 （下转第260页）

（上接第243页）

通过对检索到的专利文献产出国进行统计分析（如图9所示），排名靠前的国家依次为美国、日本、中国、韩国和欧洲，一定程度体现了模数转换技术的发展情况，美国以2359项的优势排名第一，中国申请人对该项技术申请专利的数量为1165项。

3.3 在华主要申请人分析

前五名的申请人主要包括：三星电子株式会社（共440件）、皇家飞利浦电子股份有限公司（共300件）、国家电网公司（共276件）、华为技术有限公司（共260件）以及NXP公司（共231件）。

4 总结

现代集成电路器件尺寸不断减小，速度不断加快，集成度不断提高。廉价、高速的数字集成电路已经能够完成相当复杂的数字信号处理功能和任务。而且，数字技术具有许多模拟技术不能比拟的优点，例如抗干扰能力强，便于传输，存储无损失，精度高，多功能等。因此，许多采用传统的模拟方法实现的信号处理任务今天都由数字技术来实现，以降低设计成本和设计难度。同时人们对信号处理系统提出了跟高的要求，比如希望有更高的精度、速度以及更低的成本和功耗，从而提高整个系统的可靠性、集成度，从而降低成本。随着模数转换技术的发展，将会有具有更高精度、速度以及更低成本和功耗的模数转换器出现。

作者简介：李敏（1982-）女，研究生，初级职称，研究方向：编码译码 -专利审查。