資料轉換器市場穩步成長
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2008-02-12 00:00
前言:
2008年類比半導體市場前景各方反應不一
類比晶片種類繁多,應用範圍廣泛,價格差異大,更新換代的頻率也不明顯,例如某半導體廠商20多年前推出的一款類比數位轉換晶片(ADC)甚至到今天都還可以接受訂單。不過,由於終端產品生命週期的縮短以及競爭壓力的增大,類比功能被越來越多的整合到更為複雜的單晶片電路中。雖然類比市場未來仍將繼續增長,但一般預計,其增速在所在半導體元件中將屬於相對較慢之列。
縱觀2007年,類比半導體市場表現平平,全年市場成長率約為4.7%,製造商期望類比半導體市場2008年有所反彈。但是,由於全球經濟的疲軟,各市調公司對前景做出不同的判斷。較為一致的觀點是,即便類比半導體市場出現反彈,預計不是所有的類比廠商都能從中受益。有些廠商面臨需求不振,有些將遭遇產能短缺。
市場調研公司American Technology Research Inc.(ATR)認為:部分廠商以PC和消費終端市場為目標,有可能超過總體類比半導體市場的增長水準。不過也只是傳統的類比元件銷售黃金季-第一季出現強勁增長,這顯示廠商對於消費需求和庫存持謹慎態度,而且存在一定的不確定性。
iSuppli預測2008年類比市場增長7.4%,估計比去年增長4.7%。該公司認為,標準線性元件今年將增長11%,類比ASIC和ASSP(專用標準產品)將增長5.4%。
另一家市調公司Databeans則較為樂觀,該公司預測,2008年類比市場將增長12%。並指出比較強勁的類比市場包括資料轉換器和電源管理元件的領域,而比較器的銷售則相對低迷。不過,這家公司同時也承認,目前沒有明顯跡象顯示需求旺盛,但也沒有看到第一季類比廠商庫存增加的跡象。
資料轉換器市場穩步前進
據Gartner預測,未來5年內,增長率排名前5位的元件為非光學感測器、光學元件、類比元件、ASSP和ASIC。類比元件赫然位列其中,參照美國半導體行業協會(SIA)的分類,進一步細分類比晶片,可歸為兩大類
* 一類是標準線性類比晶片,其中主要包括放大器、介面電路、資料轉換器、電源管理晶片以及射頻晶片等;
* 另一類是專用類比晶片,亦即針對消費、電腦及週邊、通信、汽車,以及工業和醫療等專用應用領域的晶片。
數位技術的快速發展與普及,加速了人們對各種資訊進行數位化處理的需求。數位信號處理不斷滲透進入現代控制、通信及檢測等領域。由於系統的實際物件往往都是一些類比量(如溫度、壓力、位移、圖像等),要使電腦或數位儀錶能識別、處理這些信號,必須首先將這些類比信號轉換成數位信號。這樣,就需要一種能在類比信號與數位信號之間起橋樑作用的晶片--類比/數位(A/D)和數位/類比(D/A)轉換器,業界將AD/DA元件通稱為資料轉換器,也是類比元件領域中技術難度較高的部分。
近兩年來,資料轉換器市場成長率都超過10%,大大高於類比元件市場的總體成長水準,Gartner資料顯示,2006年資料轉換器市場營收約為27億美元,成長率為12.9%;2007統計年達到14%,營收超過30億美元;受大環境影響,預計2008年資料轉換器市場成長腳步有所放緩,到2010年資料轉換器市場將有可能接近40億美元。
由於技術門檻較高,所以資料轉換器市場依然被幾家的類比元件公司主導。其中ADI在這一領域一枝獨秀,市場佔有率達到40%左右,TI、美信、美國國家半導體、歐勝等、凌力爾特、安森美等知名半導體公司瓜分了50%的市場,剩下的不到10%的市場由其他類比IC業者默默耕耘。
在市場佔有率分佈方面,目前工業和通信領域佔據主要市場份額,分別佔據35%和30%,PC和消費電子加起來僅占25%,其中PC領域由於多採用整合晶片,所以獨立的資料轉換器市場相對較小,這也是為什麼資料轉換器市場受PC和手機市場依賴較小的原因所在。預計到2012年,通信市場會取得較大市場佔有率,達到38%,工業應用相對壓縮,消費電子會有所增長,而其他領域基本不變。
資料轉換器市場發展面臨諸多挑戰
由於新的應用市場還沒有被開發出來,因而半導體產業依然持續依賴PC和手機,近來消費電子也有呈現向手機集中的趨勢,這使得很多人憂心忡忡。用於這些產品元件的平均銷售價格(ASP)不斷下跌,不斷壓縮著製造商的利潤,使得競爭日趨激烈。目前,這些市場正在走向成熟甚至飽和。雖然類比IC供應商對於PC和手機的依賴程度稍輕,但它們的銷售收入卻沒有同步增長。資料轉換器市場也不能獨善其身,主要面臨內外兩大因素挑戰:
外部因素:一方面層出不窮的消費類數位化電子終端,特別是手機產品需要大量的資料轉換功能。但是,這些新興產品需要的僅是相對解析度較低以及帶少量電晶體的資料轉換器,它們更多的採用了整合了這些資料轉換器的ASSP產品。因此,作為獨立形式存在的資料轉換器市場被具有內置資料轉換器的專用產品所擠佔。專用標準產品(ASSP)增長證明了這一事實。例如在ARM處理器內核中就出現了前端具有高解析度類比數位轉換器,後端具有數位類比轉換器配置。因為整合度的提高,導致獨立的資料轉換器的需求下降了,使得廠商必須改變工藝,降低資料換器的單價。
內部因素:儘管資料轉換器的技術門檻較高,但是並不意味著技術是不能逾越的門檻,而市場佔有率較大的消費電子、手機領域恰恰並不是解析度相對較低,對技術要求沒那麼高的地方。這使得一些中、小型設計公司有機會在資料轉換器市場一試身手。歐勝微電子、AKM和SigmaTel等較小的供應商市場佔有率不斷擴大,中國一些新興的設計公司也開始搶佔此一市場。這些廠商生產用於音樂流轉換和MP3播放器重播的便攜音頻編解碼器(D/A轉換器)。大型的資料轉換器供應商佔有率縮小,而小型供應商佔有率增大。
速度、準確度、功耗決定市場成敗
實際上,資料轉換器的市場是依不同的速度和準確度來劃分,以AD轉換器為例,低準確度、高取樣率的資料轉換器主要應用在視頻、平面顯示器與馬達等領域,準確度為6~10bit,取樣速度可達1000MSPS,目前這一領域正在被ASIC或ASSP產品所侵蝕;而通信、醫療設備及工業成像系統則對準確度要求更高,通常準確度要求到14bit,在這一市場,更高的解析度可以避免測量過程受到噪音干擾,確保信號失真可以減至最少;更高的取樣率及更高的帶寬可讓輸入信號直接進行向下變頻,使無線接收系統無需採用向下變頻級,在某些應用情況下(例如汽車電子系統),資料獲取系統還必須添加遠端操控功能;一些可?式電子產品則需要利用電池的供電。這兩方面的應用都要求資料獲取系統耗電越少越好,也是目前資料轉換器市場的主戰場;更高準確度的領域,主要侷限於音頻應用,市場變化較小。以下,就典型應用領域予以介紹
* 無線、網路:高取樣率、多通道資料轉換器能夠打造支援多個無線空中介面標準的、具有高成本效益的軟體無線電系統,它在推動基地台技術方面發揮重要作用。其應用包括HSDPA/HSUPA基地台收發器、WiMAX基地台收發器、MIMO-OFDM接收器、軟體定義無線電等。高速的資料轉換器將提升這些新技術的性能,使得它們能夠對更寬的頻寬進行取樣,以緩解無線數位業務所承受和不斷增加的傳輸量和可靠性要求的壓力,並利用軟體來實現盡可能多的功能,從而達到節省成本的目的。
* 醫療電子:在醫療電子領域,對高階AD轉換器的需求表現在圖像處理應用,比如超聲波、核磁共振、心電檢測以及血糖檢測等。這些需求對AD轉換器的挑戰主要表現在高速和多路取樣上,比如要求12位元,250Msps的取樣率,且正從目前的4路向16路、32路演進。另一方面,最近的發展趨勢顯示,隨著可?式的個人醫療產品的普及,醫療電子對元件的功耗以及體積提出了更嚴格的要求,這些設備的功耗和封裝尺寸是成為首要因素。醫療電子希望採用具有串列介面且功率盡可能低的四通道或八通道ADC。
* 汽車電子和軍事:在精密轉換器市場,例如控制系統應用,製造商要求系統的功耗低、佔用最小的電路板面積而且成本較低。這要求轉換器能具有必要的性能,同時以最低的成本使功耗和封裝尺寸最小。新一代的應用大多集中於監察汽車左右方情況的雷達探測系統、條碼掃描器、測試及測量儀錶等方面。這些新的應用對AD轉換器的解析度及取樣率都有極嚴格的要求。在軍用領域,對於包括了抗電磁干擾能力、較寬的工作溫度範圍等在內的可靠性指標要求較高。雷達/鐳射跟蹤及定位系統(LIDAR)需要的是8~10位元、1GSPS以上的資料轉換器,其中轉換速度最為關鍵。
* 視頻和音頻應用:視頻和音頻應用集中體現在PC和手機應用中,可說是資料轉換器最大的市場。不過,大部分的應用都採用了嵌入式的資料轉換器,而非分離元件。視頻中的資料轉換器絕大多數已被整合到主晶片內,而音頻部分整合相對較少。音頻應用選擇資料轉換器時主要依據是THD、SNR以及是否具備某些音頻特效等。有些產品還必須具備低功率輸出的驅動能力,能直接驅動小功率的揚聲器或耳機。因而獨立的資料轉換器大多集中在中高階音頻領域。
此外,在高速轉換器市場,信號調節和處理程度在所有的新興應用中都是主要因素,而在最終系統性能方面,SNR(信噪比)、SFDR和LSB等參數都至關重要。新興應用還要求產品在不同的工作環境下具有較寬的性能範圍。
儘管整合到ASIC/ASSP中的嵌入式資料轉換器卻越來越多。但這並不能掩蓋市場對獨立資料轉換器的需求,對於那些需求高解析度、高取樣率低功耗的需求,嵌入式轉換器顯然不能滿足需求,因而一些新興市場應用對高解析度、高取樣率、及低功耗資料轉換器的強烈需求,成為了資料轉換器市場成長的源動力,未來一段時間,各廠商將對速度、準確度、和功耗這三大主題做出自己的詮釋。
附錄:AD、DA轉換器主要技術指標
* A/D轉換器
其中,AD轉換器概分為管線型(pipeline),SAR(連續近似)與Delta Sigma三類,主要技術指標包括:
1)解析度(Resolution)指數位量變化一個最小量時類比信號的變化量,定義為滿刻度與2n的比值。解析度又稱準確度,通常以數位信號的位元數來表示;
2)轉換速率(Conversion Rate)是指完成一次從類比轉換到數位的AD轉換所需時間的倒數。Delta Sigma積分型AD的轉換時間是毫秒級屬低速AD,SAR逐次比較型AD是微秒級屬中速AD,Pipeline全並行/串並行型AD可達到奈秒級。取樣時間則是另外一個概念,是指兩次轉換的間隔。為了保證轉換的正確完成,取樣率(Sample Rate)必須小於或等於轉換速率。因此有人習慣上將轉換速率在數值上等同於取樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps,表示每秒取樣千/百萬(kilo / Million Samples per Second);
3)量化誤差(Quantizing Error)由於AD的有限解析度而引起的誤差,即有限解析度AD的階梯狀轉移特性曲線與無限解析度AD(理想AD)的轉移特性曲線(直線)之間的最大偏差。通常是1 個或半個最小數位量的類比變化量,表示為1LSB、1/2LSB;
4)偏移誤差(Offset Error)輸入信號為零時輸出信號不為零的值,可外接電位器調至最小;
5)滿刻度誤差(Full Scale Error)滿度輸出時對應的輸入信號與理想輸入信號值之差;
6)線性度(Linearity)實際轉換器的轉移函數與理想直線的最大偏移,不包括以上三種誤差。
其他指標還有:絕對準確度(Absolute Accuracy)、相對準確度(Relative Accuracy)、微分非線性、單調性和無錯碼、總諧波失真(Total Harmonic Distotortion縮寫THD和積分非線性。
* D/A轉換器
DA 轉換器一般按輸出是電流還是電壓、能否作乘法運算等進行分類。大多數DA轉換器由電阻陣列和n個電流開關(或電壓開關)構成。 按數位輸入值切換開關,產生比例於輸入的電流(或電壓),也有為了改善準確度而把恒流源放入元件內部的。一般說來,由於電流開關的切換誤差小,大多採用電流開關型電路,電流開關型電路如果直接輸出生成的電流,則為電流輸出型DA轉換器,電壓開關型電路為直接輸出電壓型DA轉換器。DA轉換器的主要技術指標:
1)解析度(Resolution)指最小類比輸出量(對應數位量僅最低位元為'1')與最大量(對應數位量所有有效位元為'1')之比;
2)建立時間(Setting Time)是將一個數位量轉換為穩定類比信號所需的時間,也可以認為是轉換時間。DA中常用建立時間來描述其速度,而不是AD中常用的轉換速率。一般地,電流輸出DA建立時間較短,電壓輸出DA則較長。
其他指標還有線性度(Linearity)、轉換準確度、溫度係數/漂移。