模拟芯片专题：模拟芯片连接物理世界和数字世界的桥梁

行业研究·行业专题 电子·半导体 投资评级：超配（维持评级） 证券分析师：周靖翔021-60375402zhoujingxiang@guosen.com.cnS0980522100001 证券分析师：胡剑021-60893306hujian1@guosen.com.cnS0980521080001 证券分析师：李梓澎0755-81981181lizipeng@guosen.com.cnS0980522090001 证券分析师：胡慧021-60871321huhui2@guosen.com.cnS0980521080002 联系人：杨宇凯021-60375459yangyukai@guosen.com.cn 联系人：李书颖0755-81982362lishuying@guosen.com.cn 联系人：詹浏洋010-88005307zhanliuyang@guosen.com.cn 证券分析师：叶子0755-81982153yezi3@guosen.com.cnS0980522100003 请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容 连接物理世界和数字世界的桥梁—模拟芯片 ⚫模拟芯片连接物理世界和数字世界，市场规模将超过700亿美元。集成电路分为模拟芯片和数字芯片，分别处理连续的模拟信号和离散的数字信号，虽然数字芯片的规模远大于模拟芯片，但模拟芯片在电子系统中是不可或缺的。根据WSTS的数据，2021年全球模拟芯片市场规模为719亿美元。我们估算2020年全球模拟芯片市场中电源管理芯片（~300亿美元）、信号链芯片（~100亿美元）、射频芯片等（~150亿美元）分别占比55%、18%、27%。 ⚫产品、客户、人才是模拟芯片企业的竞争优势来源。与数字芯片相比，模拟芯片具有应用领域繁杂、生命周期长、人才培养时间长、价低但稳定、与制程配合更加紧密等特点。基于这些特点，产品、客户、人才需要模拟企业长期积累，是其长期竞争优势的主要来源。由于产品种类多、客户广泛，模拟芯片领域很难一家独大，2020年第一大厂商德州仪器的市占率不超过20%，其余厂商市占率均不超过10%。从竞争格局来看，全球大厂的排名和市占率变化主要来自兼并收购。 ⚫集成与分立长期并存，工业、汽车是未来的重点方向。从模拟芯片发展趋势来看，“电子+”带动需求增长，集成化是趋势，但由于需求各异，分立产品也将长期存在。同时，德州仪器推动模拟产品向12寸产线转移，2020年其47%的模拟收入来自12英寸产线，在德州仪器的引领下，台积电等代工厂也逐步跟进。从下游应用领域来看，工业、汽车的占比有所提升，德州仪器来自工业和汽车电子的收入占比分别由2013年的24%、13%提高到2020年的37%、20%，亚德诺的占比分别由FY2009的43%、10%提高到FY2020的53%、16%。 ⚫国产替代加速，推荐泛模拟企业或具有边界拓展潜力的模拟企业。我国是模拟芯片最大的市场，2020年占全球的36%，但自给率仅约12%。随着国产替代需求增加，在政策、资本、客户的支持下，我国模拟企业进入黄金发展期，得到了难得的验证和导入机会。我们看好产品和下游都广覆盖的圣邦股份，聚焦泛通讯和泛工业领域的思瑞浦，以家电为立足点向其他领域进行拓展的芯朋微，以手机为立足点向其他领域进行拓展艾为电子、力芯微，以LED驱动为立足点向其他领域拓展的晶丰明源。 目录 模 拟 芯 片 连 接 物 理 世 界 和 数 字 世 界01产 品 、 客 户 、 人 才 是 模 拟 芯 片 企 业 的 竞 争 优 势 来 源02模 拟 芯 片 行 业 发 展 趋 势03中 国 是 模 拟 芯 片 最 大 的 市 场 ， 国 产 替 代 加 速04 模拟芯片负责处理连续的模拟信号，是电子系统中不可或缺的部分 ⚫模拟信号具有连续性，数字信号具有离散性。信号是反映消息的物理量，可以从不同角度进行分类。在电子电路中，信号可分为模拟信号和数字信号。模拟信号在时间和数值上均具有连续性，数字信号相反，在时间和数值上均具有离散性。对于模拟信号而言，任何瞬间的任何值都是有意义的；对于数字信号而言，两个整数之间的值是没有意义的，通过设定的阈值将其确定为N或N+1。大多数现实物理量所转换成的电信号是模拟信号，比如温度、压力、声、光等。 模拟芯片负责处理连续的模拟信号，是电子系统中不可或缺的部分 ⚫集成电路分为模拟芯片和数字芯片，分别处理模拟信号和数字信号。半导体产品可分为集成电路、光电子、分立器件和传感器四大类；其中集成电路占比超过80%，从大类上又可分为模拟芯片和数字芯片，分别处理连续的模拟信号和离散的数字信号，近几年模拟芯片销售额占集成电路销售额的比例在16%左右，2021年为15.6%。 模拟芯片负责处理连续的模拟信号，是电子系统中不可或缺的部分 ⚫虽然数字芯片的市场规模远大于模拟芯片，但模拟芯片在电子系统中是不可或缺的。自然界的真实信号通过传感器提取后变为模拟信号，模拟信号需要经由模拟芯片处理后才能被数字芯片使用。由于传感器、接收器实际提供的信号很微弱，噪声大且易受干扰，所以一般需要进行信号的预处理，包括放大、滤波、隔离等。预处理完成后再进行加工，包括运算、比较、转换等，加工完的信号一般不足以驱动负载，所以还需要进行功率放大。如果信号需要进行数字化处理，则将预处理后的模拟信号通过A/D转换器转为数字信号，处理完后再通过D/A转换器转为模拟信号。可见，模拟芯片是电子系统中不可或缺的一部分。 模拟芯片市场规模将超700亿美元，电源管理和信号链合计占七成 ⚫根据功能划分，模拟芯片可分为电源管理芯片、信号链芯片、射频芯片。按输入/输出响应关系，模拟芯片可分为线性电路（如运算放大器）和非线性电路（如模拟乘法器）；按应用领域不同又可分为通用型电路和专用型电路，通用型电路如运算放大器、电压调整器、模数转换器、数模转换器等，专用型电路如音响电路、电视接收机电路等。 ⚫2021年全球模拟芯片市场规模同比增长33%至741亿美元。根据WSTS的数据，全球模拟芯片市场规模由2003年的268亿美元增长到2021年的741亿美元，占半导体整体市场的13.3%，占集成电路市场的15.6%，2011-2021十年间的CAGR为5.8%。预计22、23年将分别增长22%、6%达到903亿美元、961亿美元。 电源管理芯片调节电能供应，产品种类繁多 ⚫电源管理芯片是模拟芯片最大的细分市场，是所有电子产品和设备的电能供应中枢和纽带。根据智研咨询的数据，全球电源管理芯片市场规模由2016年的200亿美元增加至2020年的330亿美元，年复合增长率为13.3%。 ⚫由于不同的电子设备、应用场景所需的电源管理方案各有不同，电源管理芯片具有应用范围广、细分品类众多的特点，包括AC/DC（交流/直流）转换器、LDO（Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器）、LED驱动器、马达驱动器、电源监控器、过流保护、过压保护等。 电源管理芯片调节电能供应，产品种类繁多 ⚫AC/DC转换器：将交流电转换为直流电的称为“整流”，将直流电转换为交流电称为“逆变”。 ⚫AC/DC的整流方式分为全波整流和半波整流。全波整流是通过二极管桥式电路结构将输入电压的负电压成分转换为正电压后整流成直流电压；半波整流是使用一个二极管来消除输入负电压成分后整流为直流电压。之后，利用电容器的充电和放电功能来平滑波形，从而转换为纯净的直流电压。与不利用输入负电压成分的半波整流相比，全波整流效率更高。在相同的电容器容量和负载条件下，全波整流的纹波电压更小，稳定性更高、性能更优。 ⚫AC/DC的转换方式分为变压器方式和开关方式。与变压器方式相比，开关方式由开关元件和控制电路组成，电路结构较复杂，但由于基于高频控制可以使用小型变压器，所以设备可以小型化、轻便化。 电源管理芯片调节电能供应，产品种类繁多 ⚫DC/DC转换器：将输入的直流电压转换为所需的直流电压并实现稳定化，可以升压，也可以降压。一个电子产品中的部件具有各自固有的工作电压范围，电压精度要求也不同，需要DC/DC转换器提供所需电压值的稳定电压。按转换方式，DC/DC转换器可分为线性稳压器和开关稳压器两大类，线性稳压器设计简单，但效率低，且只能实现降压；开关稳压器设计复杂，但效率高，既能实现降压，也能实现升压、反相。 电源管理芯片调节电能供应，产品种类繁多 ⚫线性稳压器工作时输入与输出的关系呈线性，只可以降压，适用于小功率电源。根据输出电压的正负，线性稳压器可分为正线性稳压器和负线性稳压器；根据输出电压是否可变，可分为固定型线性稳压器和可变型线性稳压器；根据输入输出之间的电压差大小，可分为标准型线性稳压器和LDO（低压差线性稳压器）。标准型线性稳压器压差一般在2V以上，LDO可做到1V以下。 ⚫开关稳压器是通过控制晶体管在ON状态和OFF状态之间切换（开关动作），使输出电压保持稳定，可实现降压、升压、反相。降压型开关稳压器有异步整流（二极管）型和同步整流型两种，同步整流型将异步整流型中的二极管替换为场效应管，在电流较大时效率更高，但在轻负载时效率较低，电路也更为复杂。 电源管理芯片调节电能供应，产品种类繁多 ⚫以降压型开关稳压器为例，其工作原理如下：①与基准电压进行比较，检查输出电压是否为设定电压；②低于设定电压时，开关变为ON，从输入向输出供电；③电感蓄积磁能；④如果输出电压高于设定电压，开关变为OFF；⑤电感所蓄积的磁能变为电流传给输出负载，再返回电感；⑥电感的磁能消失，输出电压开始下降时，开关会重新打开。 信号链芯片负责信号处理，连接物理世界和数字世界 ⚫信号链芯片是连接物理世界和数字世界的桥梁，负责对模拟信号进行收发、转换、放大、过滤等，产品主要包括线性产品、转换器产品、接口产品三大类。根据IC Insights的报告，全球信号链模拟芯片的市场规模将从2016年的84亿美元增长至2023年的118亿美元，年均复合增速约5%。 ⚫线性产品：主要完成模拟信号在传输过程中放大、滤波、选择、比较等功能，代表产品有放大器、比较器、模拟开关等。 ⚫转换器产品：完成模拟信号和数字信号的相互转换，包括ADC和DAC两种。ADC（Analog-to-Digital Converter）将模拟信号转换成数字信号，朝着高精度、高转换速率、低功耗、单电源、低电压等方向发展。DAC（Digital-to-Analog Converter）将数字信号转换成模拟信号，朝着高精度、低功耗、多信道、多功能集成方向发展。 ⚫接口产品：用于电子系统之间的数字信号传输。种类多样，包括RS-232、RS-422、RS-485等。 信号链芯片负责信号处理，连接物理世界和数字世界 ⚫运算放大器是一种对微弱信号进行放大的电路，输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果，已经历四代产品。自仙童半导体公司于1960年研制出第一个硅集成单芯片运算放大器后，运算放大器至今已经历了四代产品。仙童半导体公司1968年推出的μA741和ADI公司1975年推出的OP07是运算放大器经典产品，至今仍被广泛使用。 ⚫根据内部结构和制造工艺的不同，运算放大器分为双极型、CMOS型、Bi-JFET、Bi-MOS型。双极型运放一般输入偏置电流、器件功耗较大，但由于采用多种改进技术，所以种类多、功能强。CMOS型运放输入阻抗高、功耗小，可在低电源电压下工作，已有低失调电压、低噪声、高速度、强驱动能力的产品。Bi-JFET、Bi-MOS型运放采用双极型管与单极型管混合搭配的生产工艺，以场效应管作输入级，使输入电阻高达1012Ω；Bi-MOS常以CMOS电路作输出级，可输出较大功率。 信号链芯片负责信号处理，连接物理世界和数字世界 ⚫根据性能指标的不同，运算放大器可分为通用型和专用型两类。通用型运放用于无特殊要求的电路之中，性能指标的数值一般处于固定区间。专用型运放为了适应各种特殊要求，在某一方