通信系统关键的AD器件发展情况及瓶颈

在2004年，美国的加州大学设计研发了一款转换精度8 bit、转换速率600 MS/s的折叠插值式A/D器件，该器件采用了0.18 μm CMOS工艺。在2008年，它们采用单通道并行的结构实现了一款速率为2.5 GS/s、精度为8 bit的超高速A/D器件，该器件是在90 nm的CMOS工艺上实现的。同年，又设计实现一款1 GS/s、10 bit的流水线级联折叠结构的A/D器件，该器件采用了0.35 μm SiGeBiCMOS工艺。2011年，意大利大学帕维亚大学的Aldo Pena Perez在ISSCC（InternaTIonal Solid?State Circuits Conference）发表使用三阶调制器的Sigma?Delta型低速超高精度的模数转换器，在输入信号的带宽达到100 kHz时，实现了SNDR（Signal?to?Noise?and?DistorTIon RaTIo）为84 dB，SFDR为96 dB、功耗仅为140 μW的性能，其采用的是0.18 μm CMOS工艺。同年，博通公司的Chen Chunying发表了VLSI Circuits上的一款高速度、高精度的流水线型模数转换器，该ADC实现了12 bit、3 GS/s的性能指标，并且在输入信号频率达到1.2 GHz的时候SNDR仍高于50 dB，其采用了40 nm的CMOS数字工艺，整体功耗也仅仅只有500 mW［4］。2014年TI宣布推出最新的SAR型ADC，此次推出的ADS7042是业界功耗最低、尺寸最小的12 bit的SAR ADC，这款微型器件的全速功耗只有690 μW；而ADS8354系列则包含了业界最小的14 bit及16 bit的同步采样SAR ADC。

　　2 A/D器件的国内发展情况

　　对于模数转换器的研究国内起步比较晚，主要是一些科研院校在研究，发展比较落后，基础非常薄弱，工艺也很落后，能够投入到市场上的ADC产品也很少，而国外在高性能的ADC器件方面对中国进行进口限制，这极大影响了中国国防工业和电子通信的发展，这就要求我国必须设计自己的ADC。目前国内军用高性能模数转换器主要由各大军工集团下的研究所设计。此外，各大高校也积极设计研发高性能A/D器件，包括中科院半导体所、复旦大学等院校，其中复旦大学的实力最强。

　　从技术上来看，美国国家半导体拥有最先进的CMOS工艺技术，因此在技术上可以实现高速及其他类型的ADC。低功耗仍然是我们的优势所在，而且我们的售价也比其他对手更具有竞争力。

　　目前国内的主要研究成果有［5 6］：2006年，东南大学射频与光电集成电路研究所设计实现了一款速度为1 GS/s、精度为6 bit的超高速ADC，其采用了0.18 μm的CMOS工艺。2009年，又在0.18μm CMOS工艺上设计实现了一款转换速率为2.2 GS/s、精度6 bit的超高速ADC，这两款A/D器件都是采用了全并行结构。2010年，复旦大学设计实现了一款折叠插值结构的ADC，其是在0.13μm工艺下实现的，转换速率为1 GS/s，精度为8 bit。2010年中电集团55所设计了一款转换速度为1.4 GS/s、8 bit的超高速A/D器件。2011年模拟集成电路实验室在半导体学报上公布一款采样两通道时间交错的1.5 GS/s、8 bit的A/D芯片，该芯片是在0.18 μm CMOS工艺上实现的［7］。

　　3 ADC的发展瓶颈

　　模数转换器是连接模拟信号和数字信号的桥梁，是现代数字社会不可或缺的重要组成部分。随着ADC采样速度的不断增加，越来越复杂的功能得以实现，例如认知雷达、医学影像和60 GHz无线通信等［8］。由于电磁谱竞争越来越激烈，美国国防部为了提高系统的灵活性和性能，希望ADC尽可能靠近天线。因此设计实现超高速ADC亟待解决，以满足军用软件无线电、电子战、雷达等需要高宽带和高采样率的军事应用的需求。

　　目前的ADC具有应用广泛、成本低、技术成熟等优点，但在高性能的模数转换器领域，它存在着很多先天性的不足。当信号的采样速率大于2 MS/s时，由于孔径抖动因素，会造成采样时间的不确定性［9］。其规律是伴随着采样速率的增加，其精度就会下降。每增加一倍，就会下降大约1 bit，在过去的几年里，在一定的采样速率下，ADC的精度平均仅提高了1.5 bit。在当下技术状态下，设计实现的采样速率最高的ADC的采样速率是8 GS/s，而精度只有3 bit。在精度为8 bit的情况下，采样速率为4 GS/s［10］。这基本已经达到其理论极限，即使采样速率可以更高，其精度也会下降。

而且当下的ADC能够处理的信号的频谱范围有限，仅能够对一小部分频谱进行转换，很可能忽略通信、雷达和其他方面有问题的电磁频谱信号。对于美国国防部来说，实现可进行超高速采样的ADC是当务之需［11］。美国国防先期研究计划局（DARPA）已经通过"商用时标阵列"（ATC）开发出超高速ADC，采样速率可以达到60 GS/s，是现有商用ADC采样速率的10倍，完全可以胜任探测分析30 GHz及以下频谱范围内的任