電子模擬產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)替代 細分賽道帶來黃金發(fā)展期（2）
[導讀]上文見《電子模擬產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)替代細分賽道帶來黃金發(fā)展期（1）》?3、信號鏈：各類信號的采集、傳輸與轉(zhuǎn)換3.1、信號鏈：系統(tǒng)中信號從輸入到輸出的路徑廣義定義上，一條完整的信號鏈（SignalChain），指的是信號從輸入到輸出的路徑。在輸入端，自然界中存在的聲、光、電磁波等連續(xù)的模擬信...
上文見《電子模擬產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)替代 細分賽道帶來黃金發(fā)展期（1）》?
3、 信號鏈：各類信號的采集、傳輸與轉(zhuǎn)換
3.1、 信號鏈：系統(tǒng)中信號從輸入到輸出的路徑
廣義定義上，一條完整的信號鏈（Signal Chain），指的是信號從輸入到輸 出的路徑。在輸入端，自然界中存在的聲、光、電磁波等連續(xù)的模擬信號，經(jīng)過 傳感器的采集和前端器件的轉(zhuǎn)換形成連續(xù)電信號進入電子系統(tǒng)，再通過各類模擬 芯片的處理轉(zhuǎn)換為以 0 和 1 表示的數(shù)字信號，進入邏輯和存儲 IC 中，通過應用 軟件進行各種運算處理；在輸出端，數(shù)字處理結(jié)果經(jīng)由模擬芯片進行放大，轉(zhuǎn)換 為模擬信號在自然界中傳輸，或者經(jīng)由驅(qū)動電路和電源器件對外做功。
在模擬芯片領域，我們往往將討論范圍縮小至電子系統(tǒng)，信號鏈模擬芯片不 包括聲光電傳感器（分立器件范疇）和對外輸出的驅(qū)動電路（電源 IC 范疇），一 般是指擁有對模擬信號進行收發(fā)、轉(zhuǎn)換、放大、過濾等處理能力的集成電路。在 信號的測量及保護電路部分，常見的模擬 IC 包括線性放大器 Amp 和多路復用器 Mux（也可以叫開關(guān)）；在信號采集和處理部分，連續(xù)信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換器 ADC 成為 數(shù)字信號，進入微處理器 DSP 進行處理；輸出的數(shù)字信號通過合成、DAC 轉(zhuǎn)換， 進入到驅(qū)動電路中對外做功或傳輸。
模擬 IC 根據(jù)其功能可以分為信號鏈產(chǎn)品和電源鏈產(chǎn)品，根據(jù) IC Insight 的數(shù) 據(jù)，2019 年信號鏈產(chǎn)品在整個模擬 IC 行業(yè)中占比為 47%，主要包括線性產(chǎn)品、 信號轉(zhuǎn)換器、接口芯片等產(chǎn)品。
根據(jù) IC Insight 的預測，全球信號鏈市場規(guī)模從 2020 年開始復蘇，2020-2023 年的年均復合增長率約為 6%，低于整個模擬行業(yè) 8%的復合增速。但是由于信號 鏈產(chǎn)品在模擬 IC 中不可替代的作用，下游應用工業(yè)、汽車、通信等行業(yè)的需求將繼續(xù)上升，ADI 和 TI 等頭部廠商繼續(xù)加碼研發(fā)，該領域在未來依舊是各大廠商重 要發(fā)展基點。
兩極格局，ADI 和 TI 領跑信號鏈產(chǎn)品，二者在各細分領域市場份額之和超 50%。自 2000 年后，ADI 通過一系列并購不斷提高其在信號鏈產(chǎn)品的資源整合能 力，目前 ADI 在線性產(chǎn)品和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片已位于行業(yè)第一。近年來 TI 在電源管理 芯片領域不斷加碼，信號鏈產(chǎn)品在總營收中占比逐漸下降，目前 TI 在接口芯片占 據(jù)半壁江山。因此，信號鏈產(chǎn)品將在相當長時間內(nèi)呈現(xiàn)兩極競爭格局。
3.2、 線性產(chǎn)品 Linear Products：信號鏈傳輸?shù)幕A
線性產(chǎn)品基于運算放大器 OPA 開發(fā)，是整個模擬電路的基礎，由于運算 放大器的輸入輸出信號一般呈現(xiàn)線性關(guān)系，故采用“線性”一詞命名。線性 的應用非常廣泛，可用于信號的放大、比較、差分等運算關(guān)系，構(gòu)成了模擬 電路的基礎。常見的線性產(chǎn)品包括信號放大器、比較器、差分放大器、運算 放大器及各類音、視頻放大器、有源濾波器等等。
運算放大器 Operation Amplifier：一種可以進行數(shù)學運算的放大 電路，由三極管構(gòu)成，不僅可以放大信號，同時也可以進行加減乘 除以及微積分等數(shù)學運算，是典型的信號鏈通用標準產(chǎn)品，應用領 域廣泛，便于集成使用。
差分放大器 Differencial Amplifier：差分放大器將兩個輸入端電壓 信號以固定增益放大，一般具有共模抑制作用，具有出色的輸出增 益和相位匹配功能，一般用于信號傳輸或者 ADC 驅(qū)動等場景。
比較器 Comparator：對兩個或多個信號進行比較，確定大小關(guān)系 并排列順序的電路叫比較器。比較器比較輸入信號的電壓高低，輸 出 0/1 的數(shù)字信號，一般應用于特定的通信或消費類便攜終端中。
視頻、音頻放大器：適用于各類電子設備中對處理視頻、音頻信號 有較高要求的應用場景。一般為運算放大器和各類無源器件的組合， 是復雜的專用產(chǎn)品，具有濾波、抗干擾的功能，能夠快速清晰的提 升信號強度，去除噪聲。
有源濾波器：與無源型不同，有源濾波器利用三極管的截止功能進 行設計，根據(jù)響應頻段的不同可以分類低通、高通及帶通等等，一 般應用于各類通信場景的射頻電路中。
線性產(chǎn)品是信號鏈模擬集成電路產(chǎn)品的代表性器件，其重要產(chǎn)品放 大器和比較器則是 2019 年信號鏈芯片中市場規(guī)模占比最高的品類， 2020 年銷售額在 30.96 億美元，占信號鏈模擬芯片市場規(guī)模的 39%。放大器及比較器屬于通用產(chǎn)品，行業(yè)空間穩(wěn)定，根據(jù) Statista 預測，2027 年市場規(guī)模有望達到 43 億美元，2020-2027 年復合增速為 4.8%。
線性產(chǎn)品市場由亞德諾和德州儀器二分天下。以在信號鏈模擬芯片 市場規(guī)模中占比最高的放大器和比較器為例，根據(jù) Databeans 的最新報 告，2019 年亞德諾和德州儀器在放大器和比較器領域的全球銷售收入分 別為 10.94 億美元、9.08 億美元，營收超過其他所有廠商之和。由于信 號鏈技術(shù)壁壘相對較高，目前全球市場份額排名前十的廠商均來自歐日 美，中國企業(yè)布局相對較少，僅有思瑞浦表現(xiàn)較突出，位居全球銷售第 12 名和亞洲區(qū)銷售第 9 名。
3.3、 信號轉(zhuǎn)換器 Converter：模擬與數(shù)字信號的橋梁
信號轉(zhuǎn)換器是連接模擬與數(shù)字信號的橋梁。轉(zhuǎn)換器芯片以模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC 及數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC 為基礎，在之上延伸出各類場景的專用標準芯片，例 如電壓頻率變換器、音頻轉(zhuǎn)換器和觸摸屏控制器等等。信號轉(zhuǎn)換器是將模擬 （連續(xù)）信號與數(shù)字（離散）信號進行轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，是混合信號系統(tǒng)中必備 的器件，廣泛使用在工業(yè)、通信（射頻）、汽車、醫(yī)療等領域。在使用中，一般行業(yè)內(nèi)也會根據(jù)其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度和采樣速率分類，稱之為高/低精度、高 /低速轉(zhuǎn)換器。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC：負責以連續(xù)的時間間隔測量信號電壓以獲取連續(xù) 的模擬信號并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的器件。通過 ADC 將多數(shù)無法被 數(shù)字系統(tǒng)識別與處理的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，可以提高信號分 析能力，實現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的存儲方式和更精確的傳輸。一般適用于數(shù)字 傳感器芯片、傳統(tǒng)封裝片、集成電路、SOC 芯片等各類涉及數(shù)字處 理的應用場景。
數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC：負責將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的器件，主要特 性指標包括分辨率、轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換誤差等，模數(shù)轉(zhuǎn)換器中一般都 要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，廣泛應用于各種數(shù)字系統(tǒng)中。
電壓頻率變換器：是將頻率輸入信號轉(zhuǎn)換為與其對應的模擬電壓幅 值輸出信號的器件，適合模數(shù)轉(zhuǎn)換、長期積分、線性頻率調(diào)制和解 調(diào)以及頻率電壓轉(zhuǎn)換應用，一般適用于儀器儀表、工業(yè)和自動化等 領域。
音頻轉(zhuǎn)換器：包括將數(shù)字音頻編碼轉(zhuǎn)換為模擬音頻聲音的音頻數(shù)模 轉(zhuǎn)換器和與之相反的音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一般應用于汽車音響、家庭 影院、消費類音頻設備和個人計算機(PC)等領域。
觸摸屏控制器：指可觸控式的屏幕器件，由觸摸時的檢測部件和觸 摸屏里的控制部件組成，分為采用電阻技術(shù)、表面聲波技術(shù)和電容 技術(shù)三類觸摸屏，廣泛應用于消費電子產(chǎn)品、汽車、其他產(chǎn)品的人 機接口應用等領域。
根據(jù) Statista 統(tǒng)計，2020 年 ADC/DAC 市場規(guī)模約為 36.72 億美元，預 計到 2021 年，全球數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場規(guī)?？蛇_ 38.49 億美元。未來在 5G、人 工智能、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子等新興應用的驅(qū)動下，相關(guān)產(chǎn)品或技術(shù)對 ADC/DAC 芯片的需求得到強有力支撐，OPCO 預測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場未來將保持約 3% 的年復合增長率，市場前景比較樂觀。
全球數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場被美企巨頭壟斷，國產(chǎn)芯片企業(yè)市場份額少。全球 ADC /DAC 市場主要被以美國公司 TI、ADI 為首的幾家跨國大企業(yè)所壟斷， 價格高，供貨周期長。其中，ADI 是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器龍頭，2018 年市占率約為 38%， 長期領先于競爭對手，同年 TI 占比約為 21%，CIRRUS 占 16%，QUALCOMM 占 6%， MAXIM 占 8%，MICROCHIP 占 2%，國內(nèi)廠商份額占比較低。
國產(chǎn) ADC/DAC 芯片發(fā)展仍面臨多重困境。目前國內(nèi)做 ADC/DAC 的主要 力量有國家骨干研究所、高校科研團隊、海歸創(chuàng)業(yè)團隊等，應用主要面向軍 工、航空航天、相陣控雷達設備等領域，雖然在高精度 ADC 自研芯片等領域取得了一定的成就，但國產(chǎn) ADC/DAC 芯片仍然面臨研發(fā)周期長、試錯成本高、 資金需求大、國內(nèi)模擬集成電路教育水平較低的重重困境。
國產(chǎn)替代浪潮漸起，本土數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器企業(yè)迎來良好歷史機遇。早期國內(nèi) 的設備廠家出于性能、質(zhì)量等多方面的考慮，只選用以 TI 和 ADI 為主的國 外知名廠家的 ADC/DAC 產(chǎn)品。自華為事件及中美貿(mào)易摩擦以后，國內(nèi)的設 備廠家逐漸開始采購國產(chǎn)芯片，以思瑞浦、矽力杰為首的本土企業(yè)在 ADC/DAC 國產(chǎn)替代方面潛力巨大。
3.4、 接口芯片 Interface：不同電路間的溝通橋梁
接口芯片是接口電路中的重要組成部分，在信號鏈中充當“信使”的功 能。接口電路是連接兩個硬件設備的電路，是信號鏈中連接不同電路設備的 重要橋梁，在模擬 IC 中應用比較廣泛，因而接口芯片也被大量應用在模擬電 路中。根據(jù)應用場景的延伸，我們按功能可把接口芯片分為電路保護、隔離、 電平轉(zhuǎn)換器、多路復用器等等。
電路保護：在功率密度增大、器件小型化、保護要求及時準確精細、 防范等級提高等一系列綜合要求下，此類產(chǎn)品被廣泛應用于集成電 路中，充當電路中電壓、電流等指標的“安全閥“，是針對 ESD、 浪涌、過壓、過流和 EMI 的電路保護。
隔離器 ISO：電路中的隔離器是利用電隔離將低壓域系統(tǒng)和高壓域 系統(tǒng)兩端在物理層隔開，雖然電流無法直接通過，但信號和能量仍 可由其它方式傳遞，目前比較常用的隔離技術(shù)為數(shù)字隔離。根據(jù)目 的，我們可以把隔離分為安全隔離（保障人員及設備安全）和功能 隔離（提高電路的抗干擾能力）。
電平轉(zhuǎn)換器：是一個電壓轉(zhuǎn)換裝置，主要作用是將輸入信號從一個 電壓域切換到另一個電壓域，用于解決不同電源域提供的不同器件 之間的不兼容問題，產(chǎn)品類型包括通用、自動雙向和單向電平轉(zhuǎn)換 器。
多路復用器 MUX：是一種能接收多個輸入信號，并按每個輸入信號 可恢復方式合成單個輸出信號的信號鏈產(chǎn)品，它能以各種方式顯著 影響信號鏈的性能。例如，導通電容可能導致通道之間的串擾、導 通電阻的信號和溫度的相關(guān)變化可能導致信號失真、多路復用器的 電容和電阻一起可限制信號帶寬。因此，多路復用器在信號鏈整體 性能的改善上有著重要作用。
接口芯片是連接集成電路中不同器件的關(guān)鍵設備，是模擬芯片市場 中份額占比較小的產(chǎn)品，通用類接口芯片市場份額占比約為 3.8%。根據(jù) IC Insights 的預測，預計 2020 年其市場規(guī)模為 23.82 億美元。隨著未 來電子元器件模組化能力的提高，接口芯片的使用率將進一步下降。接 口芯片的市場規(guī)模增速相比其它模擬產(chǎn)品更為緩慢，在未來的市場占比 將繼續(xù)下降。
TI 領跑混合信號賽道，接口芯片優(yōu)勢強大。TI 是老牌模擬巨頭，常 年在該行業(yè)處于領先位置，產(chǎn)品豐富度和研發(fā)能力均為行業(yè)第一，根據(jù) Gartner 的數(shù)據(jù)，2018 年德州儀器占有約 46%的市場份額。ADI 近年來 通過并購 Maxim 和凌特使得其在接口芯片領域的實力躍居第二，產(chǎn)品種 類豐富度不斷提高。除了 TI 和 ADI，安美森、恩智浦等半導體廠商也在 該領域有產(chǎn)品布局。
4、 電源鏈：效率需求催生的龐大產(chǎn)業(yè)鏈
4.1、 電源鏈：能量分配與控制中樞，模擬芯片兵家必爭之地
隨著集成電路工藝的發(fā)展，摩爾定律下晶體管尺寸逐漸縮減，同樣面積的芯 片上承載的晶體管數(shù)量快速增長，這在使得芯片性能增加的同時，所需的巨大功 耗也逐漸成為了電子設備所不得不考慮的問題。由于電池能量密度的提升需要材 料學與化學的重大突破，而芯片低功耗的研究也逐漸趨于飽和，能耗比發(fā)展接近 瓶頸?？v觀整個電子系統(tǒng)，當電池和負載都很難再有突破時，電源鏈芯片的重要 性日益凸顯。
電源鏈芯片是管理電子設備能量供應的心臟，功能電子設備電源的管理、監(jiān) 控以及分配使用等。只要涉及到電子設備能量使用場景，就存在電源鏈芯片的應 用空間。不同于信號鏈產(chǎn)品是信息進行傳遞的途徑，電源鏈產(chǎn)品應用在電壓、電 流較高的高功率電路中，用來進行能量的傳遞和對外做功，其性能優(yōu)劣和可靠性 對電子設備的性能和可靠性有著直接影響，一旦失效將直接導致電子設備停止工 作甚至損毀，是電子設備中的關(guān)鍵器件。電源鏈產(chǎn)品需要滿足高穩(wěn)定性、低功耗 的要求，同時依據(jù)下游場景需求定制化開發(fā)，產(chǎn)品種類繁多。
所有電子設備都有電源，但是對電源的要求往往各異，為了發(fā)揮電子系統(tǒng)的 性能，匹配的電源管理方案就變得愈發(fā)重要。按照產(chǎn)品功能進行分類，我們可以 將電源鏈產(chǎn)品分為電源管理芯片 PMIC 以及驅(qū)動芯片 Driver 兩大類；其中電源管 理芯片包括穩(wěn)壓器（低壓非隔離）Regulator、控制器
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