电子模拟产业国产替代 细分赛道带来黄金发展期（2）
时间：2021-08-19 16:38:54
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[导读]上文见《电子模拟产业国产替代细分赛道带来黄金发展期（1）》 3、信号链：各类信号的采集、传输与转换3.1、信号链：系统中信号从输入到输出的路径广义定义上，一条完整的信号链（SignalChain），指的是信号从输入到输出的路径。在输入端，自然界中存在的声、光、电磁波等连续的模拟信...
上文见《电子模拟产业国产替代 细分赛道带来黄金发展期（1）》
3、 信号链：各类信号的采集、传输与转换
3.1、 信号链：系统中信号从输入到输出的路径
广义定义上，一条完整的信号链（Signal Chain），指的是信号从输入到输 出的路径。在输入端，自然界中存在的声、光、电磁波等连续的模拟信号，经过 传感器的采集和前端器件的转换形成连续电信号进入电子系统，再通过各类模拟 芯片的处理转换为以 0 和 1 表示的数字信号，进入逻辑和存储 IC 中，通过应用 软件进行各种运算处理；在输出端，数字处理结果经由模拟芯片进行放大，转换 为模拟信号在自然界中传输，或者经由驱动电路和电源器件对外做功。
在模拟芯片领域，我们往往将讨论范围缩小至电子系统，信号链模拟芯片不 包括声光电传感器（分立器件范畴）和对外输出的驱动电路（电源 IC 范畴），一 般是指拥有对模拟信号进行收发、转换、放大、过滤等处理能力的集成电路。在 信号的测量及保护电路部分，常见的模拟 IC 包括线性放大器 Amp 和多路复用器 Mux（也可以叫开关）；在信号采集和处理部分，连续信号经过转换器 ADC 成为 数字信号，进入微处理器 DSP 进行处理；输出的数字信号通过合成、DAC 转换， 进入到驱动电路中对外做功或传输。
模拟 IC 根据其功能可以分为信号链产品和电源链产品，根据 IC Insight 的数 据，2019 年信号链产品在整个模拟 IC 行业中占比为 47%，主要包括线性产品、 信号转换器、接口芯片等产品。
根据 IC Insight 的预测，全球信号链市场规模从 2020 年开始复苏，2020-2023 年的年均复合增长率约为 6%，低于整个模拟行业 8%的复合增速。但是由于信号 链产品在模拟 IC 中不可替代的作用，下游应用工业、汽车、通信等行业的需求将继续上升，ADI 和 TI 等头部厂商继续加码研发，该领域在未来依旧是各大厂商重 要发展基点。
两极格局，ADI 和 TI 领跑信号链产品，二者在各细分领域市场份额之和超 50%。自 2000 年后，ADI 通过一系列并购不断提高其在信号链产品的资源整合能 力，目前 ADI 在线性产品和数据转换芯片已位于行业第一。近年来 TI 在电源管理 芯片领域不断加码，信号链产品在总营收中占比逐渐下降，目前 TI 在接口芯片占 据半壁江山。因此，信号链产品将在相当长时间内呈现两极竞争格局。
3.2、 线性产品 Linear Products：信号链传输的基础
线性产品基于运算放大器 OPA 开发，是整个模拟电路的基础，由于运算 放大器的输入输出信号一般呈现线性关系，故采用“线性”一词命名。线性 的应用非常广泛，可用于信号的放大、比较、差分等运算关系，构成了模拟 电路的基础。常见的线性产品包括信号放大器、比较器、差分放大器、运算 放大器及各类音、视频放大器、有源滤波器等等。
运算放大器 Operation Amplifier：一种可以进行数学运算的放大 电路，由三极管构成，不仅可以放大信号，同时也可以进行加减乘 除以及微积分等数学运算，是典型的信号链通用标准产品，应用领 域广泛，便于集成使用。
差分放大器 Differencial Amplifier：差分放大器将两个输入端电压 信号以固定增益放大，一般具有共模抑制作用，具有出色的输出增 益和相位匹配功能，一般用于信号传输或者 ADC 驱动等场景。
比较器 Comparator：对两个或多个信号进行比较，确定大小关系 并排列顺序的电路叫比较器。比较器比较输入信号的电压高低，输 出 0/1 的数字信号，一般应用于特定的通信或消费类便携终端中。
视频、音频放大器：适用于各类电子设备中对处理视频、音频信号 有较高要求的应用场景。一般为运算放大器和各类无源器件的组合， 是复杂的专用产品，具有滤波、抗干扰的功能，能够快速清晰的提 升信号强度，去除噪声。
有源滤波器：与无源型不同，有源滤波器利用三极管的截止功能进 行设计，根据响应频段的不同可以分类低通、高通及带通等等，一 般应用于各类通信场景的射频电路中。
线性产品是信号链模拟集成电路产品的代表性器件，其重要产品放 大器和比较器则是 2019 年信号链芯片中市场规模占比最高的品类， 2020 年销售额在 30.96 亿美元，占信号链模拟芯片市场规模的 39%。放大器及比较器属于通用产品，行业空间稳定，根据 Statista 预测，2027 年市场规模有望达到 43 亿美元，2020-2027 年复合增速为 4.8%。
线性产品市场由亚德诺和德州仪器二分天下。以在信号链模拟芯片 市场规模中占比最高的放大器和比较器为例，根据 Databeans 的最新报 告，2019 年亚德诺和德州仪器在放大器和比较器领域的全球销售收入分 别为 10.94 亿美元、9.08 亿美元，营收超过其他所有厂商之和。由于信 号链技术壁垒相对较高，目前全球市场份额排名前十的厂商均来自欧日 美，中国企业布局相对较少，仅有思瑞浦表现较突出，位居全球销售第 12 名和亚洲区销售第 9 名。
3.3、 信号转换器 Converter：模拟与数字信号的桥梁
信号转换器是连接模拟与数字信号的桥梁。转换器芯片以模数转换器 ADC 及数模转换器 DAC 为基础，在之上延伸出各类场景的专用标准芯片，例 如电压频率变换器、音频转换器和触摸屏控制器等等。信号转换器是将模拟 （连续）信号与数字（离散）信号进行转换的关键，是混合信号系统中必备 的器件，广泛使用在工业、通信（射频）、汽车、医疗等领域。在使用中，一般行业内也会根据其数据转换精度和采样速率分类，称之为高/低精度、高 /低速转换器。
模数转换器 ADC：负责以连续的时间间隔测量信号电压以获取连续 的模拟信号并将其转换成数字信号的器件。通过 ADC 将多数无法被 数字系统识别与处理的模拟信号转换成数字信号，可以提高信号分 析能力，实现更优质的存储方式和更精确的传输。一般适用于数字 传感器芯片、传统封装片、集成电路、SOC 芯片等各类涉及数字处 理的应用场景。
数模转换器 DAC：负责将数字信号转换成模拟信号的器件，主要特 性指标包括分辨率、转换速度、转换误差等，模数转换器中一般都 要用到数模转换器，广泛应用于各种数字系统中。
电压频率变换器：是将频率输入信号转换为与其对应的模拟电压幅 值输出信号的器件，适合模数转换、长期积分、线性频率调制和解 调以及频率电压转换应用，一般适用于仪器仪表、工业和自动化等 领域。
音频转换器：包括将数字音频编码转换为模拟音频声音的音频数模 转换器和与之相反的音频模数转换器，一般应用于汽车音响、家庭 影院、消费类音频设备和个人计算机(PC)等领域。
触摸屏控制器：指可触控式的屏幕器件，由触摸时的检测部件和触 摸屏里的控制部件组成，分为采用电阻技术、表面声波技术和电容 技术三类触摸屏，广泛应用于消费电子产品、汽车、其他产品的人 机接口应用等领域。
根据 Statista 统计，2020 年 ADC/DAC 市场规模约为 36.72 亿美元，预 计到 2021 年，全球数据转换器市场规模可达 38.49 亿美元。未来在 5G、人 工智能、物联网、汽车电子等新兴应用的驱动下，相关产品或技术对 ADC/DAC 芯片的需求得到强有力支撑，OPCO 预测数据转换器市场未来将保持约 3% 的年复合增长率，市场前景比较乐观。
全球数据转换器市场被美企巨头垄断，国产芯片企业市场份额少。全球 ADC /DAC 市场主要被以美国公司 TI、ADI 为首的几家跨国大企业所垄断， 价格高，供货周期长。其中，ADI 是数据转换器龙头，2018 年市占率约为 38%， 长期领先于竞争对手，同年 TI 占比约为 21%，CIRRUS 占 16%，QUALCOMM 占 6%， MAXIM 占 8%，MICROCHIP 占 2%，国内厂商份额占比较低。
国产 ADC/DAC 芯片发展仍面临多重困境。目前国内做 ADC/DAC 的主要 力量有国家骨干研究所、高校科研团队、海归创业团队等，应用主要面向军 工、航空航天、相阵控雷达设备等领域，虽然在高精度 ADC 自研芯片等领域取得了一定的成就，但国产 ADC/DAC 芯片仍然面临研发周期长、试错成本高、 资金需求大、国内模拟集成电路教育水平较低的重重困境。
国产替代浪潮渐起，本土数据转换器企业迎来良好历史机遇。早期国内 的设备厂家出于性能、质量等多方面的考虑，只选用以 TI 和 ADI 为主的国 外知名厂家的 ADC/DAC 产品。自华为事件及中美贸易摩擦以后，国内的设 备厂家逐渐开始采购国产芯片，以思瑞浦、矽力杰为首的本土企业在 ADC/DAC 国产替代方面潜力巨大。
3.4、 接口芯片 Interface：不同电路间的沟通桥梁
接口芯片是接口电路中的重要组成部分，在信号链中充当“信使”的功 能。接口电路是连接两个硬件设备的电路，是信号链中连接不同电路设备的 重要桥梁，在模拟 IC 中应用比较广泛，因而接口芯片也被大量应用在模拟电 路中。根据应用场景的延伸，我们按功能可把接口芯片分为电路保护、隔离、 电平转换器、多路复用器等等。
电路保护：在功率密度增大、器件小型化、保护要求及时准确精细、 防范等级提高等一系列综合要求下，此类产品被广泛应用于集成电 路中，充当电路中电压、电流等指标的“安全阀“，是针对 ESD、 浪涌、过压、过流和 EMI 的电路保护。
隔离器 ISO：电路中的隔离器是利用电隔离将低压域系统和高压域 系统两端在物理层隔开，虽然电流无法直接通过，但信号和能量仍 可由其它方式传递，目前比较常用的隔离技术为数字隔离。根据目 的，我们可以把隔离分为安全隔离（保障人员及设备安全）和功能 隔离（提高电路的抗干扰能力）。
电平转换器：是一个电压转换装置，主要作用是将输入信号从一个 电压域切换到另一个电压域，用于解决不同电源域提供的不同器件 之间的不兼容问题，产品类型包括通用、自动双向和单向电平转换 器。
多路复用器 MUX：是一种能接收多个输入信号，并按每个输入信号 可恢复方式合成单个输出信号的信号链产品，它能以各种方式显著 影响信号链的性能。例如，导通电容可能导致通道之间的串扰、导 通电阻的信号和温度的相关变化可能导致信号失真、多路复用器的 电容和电阻一起可限制信号带宽。因此，多路复用器在信号链整体 性能的改善上有着重要作用。
接口芯片是连接集成电路中不同器件的关键设备，是模拟芯片市场 中份额占比较小的产品，通用类接口芯片市场份额占比约为 3.8%。根据 IC Insights 的预测，预计 2020 年其市场规模为 23.82 亿美元。随着未 来电子元器件模组化能力的提高，接口芯片的使用率将进一步下降。接 口芯片的市场规模增速相比其它模拟产品更为缓慢，在未来的市场占比 将继续下降。
TI 领跑混合信号赛道，接口芯片优势强大。TI 是老牌模拟巨头，常 年在该行业处于领先位置，产品丰富度和研发能力均为行业第一，根据 Gartner 的数据，2018 年德州仪器占有约 46%的市场份额。ADI 近年来 通过并购 Maxim 和凌特使得其在接口芯片领域的实力跃居第二，产品种 类丰富度不断提高。除了 TI 和 ADI，安美森、恩智浦等半导体厂商也在 该领域有产品布局。
4、 电源链：效率需求催生的庞大产业链
4.1、 电源链：能量分配与控制中枢，模拟芯片兵家必争之地
随着集成电路工艺的发展，摩尔定律下晶体管尺寸逐渐缩减，同样面积的芯 片上承载的晶体管数量快速增长，这在使得芯片性能增加的同时，所需的巨大功 耗也逐渐成为了电子设备所不得不考虑的问题。由于电池能量密度的提升需要材 料学与化学的重大突破，而芯片低功耗的研究也逐渐趋于饱和，能耗比发展接近 瓶颈。纵观整个电子系统，当电池和负载都很难再有突破时，电源链芯片的重要 性日益凸显。
电源链芯片是管理电子设备能量供应的心脏，功能电子设备电源的管理、监 控以及分配使用等。只要涉及到电子设备能量使用场景，就存在电源链芯片的应 用空间。不同于信号链产品是信息进行传递的途径，电源链产品应用在电压、电 流较高的高功率电路中，用来进行能量的传递和对外做功，其性能优劣和可靠性 对电子设备的性能和可靠性有着直接影响，一旦失效将直接导致电子设备停止工 作甚至损毁，是电子设备中的关键器件。电源链产品需要满足高稳定性、低功耗 的要求，同时依据下游场景需求定制化开发，产品种类繁多。
所有电子设备都有电源，但是对电源的要求往往各异，为了发挥电子系统的 性能，匹配的电源管理方案就变得愈发重要。按照产品功能进行分类，我们可以 将电源链产品分为电源管理芯片 PMIC 以及驱动芯片 Driver 两大类；其中电源管 理芯片包括稳压器（低压非隔离）Regulator、控制器
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