探索 MAX1061/MAX1063：高性能 10 位 ADC 的卓越之選

在電子設(shè)計的領(lǐng)域中，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）扮演著至關(guān)重要的角色，它是連接模擬世界和數(shù)字世界的橋梁。今天，我們就來深入了解一下 Maxim 公司推出的兩款低功耗、10 位 ADC——MAX1061 和 MAX1063，它們在數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

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一、產(chǎn)品概述

MAX1061/MAX1063 是具備 250ksps 采樣速率、采用 +3V 單電源供電的 10 位 ADC，分別擁有 8 通道和 4 通道的模擬輸入。其顯著特點包括片內(nèi) +2.5V 參考電壓、自動掉電功能、快速喚醒（僅需 2μs）、內(nèi)置時鐘以及高速字節(jié)并行接口。而且，通過 VLOGIC 引腳，它們能夠直接與 +1.8V 至 +3.6V 的數(shù)字電源相連，這種靈活的接口設(shè)計為系統(tǒng)設(shè)計帶來了極大的便利。

1. 低功耗優(yōu)勢

在當(dāng)今對節(jié)能要求日益提高的時代，低功耗是電子設(shè)備的關(guān)鍵特性之一。MAX1061/MAX1063 在這方面表現(xiàn)出色，在最大采樣率 250ksps 時，功耗僅為 5.7mW（VDD = VLOGIC）。同時，具有兩種軟件可選的掉電模式，在轉(zhuǎn)換間隔期間可將器件關(guān)閉，需要時通過訪問并行接口即可恢復(fù)正常工作。在較低采樣率下，掉電模式能將電源電流降至 10μA 以下，這對于電池供電的設(shè)備來說，無疑能夠大大延長電池的使用壽命。

2. 靈活的輸入配置

這兩款 ADC 支持軟件配置，可實現(xiàn)單極性/雙極性以及單端/偽差分操作。在單端模式下，MAX1061 有 8 個輸入通道，而 MAX1063 有 4 個輸入通道；在偽差分模式下，分別為 4 個和 2 個輸入通道。這種靈活的輸入配置方式能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求，提高了設(shè)備的通用性。

3. 出色的性能與小封裝

MAX1061/MAX1063 擁有卓越的動態(tài)性能和低功耗特性，同時易于使用且封裝尺寸小。MAX1061 采用 28 引腳 QSOP 封裝，MAX1063 采用 24 引腳 QSOP 封裝，這使得它們非常適合對功耗和空間要求苛刻的應(yīng)用，如電池供電設(shè)備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

二、電氣特性分析

1. 直流精度

• 分辨率：兩款 ADC 均具備 10 位分辨率，能夠提供較為精確的模擬信號數(shù)字化結(jié)果。
• 相對精度：MAX106_A 系列的相對精度為 ±0.5 LSB，MAX106_B 系列為 ±1 LSB。
• 差分非線性：在整個溫度范圍內(nèi)，差分非線性誤差不超過 ±1 LSB，保證了無漏碼和單調(diào)的傳輸函數(shù)。
• 增益誤差：增益誤差在 ±2 LSB 以內(nèi)，并且增益溫度系數(shù)為 ±2.0 ppm/°C，確保了在不同溫度環(huán)境下的穩(wěn)定性。
• 通道間偏移匹配：通道間偏移匹配誤差在 ±0.1 LSB 以內(nèi)，提高了多通道應(yīng)用的準(zhǔn)確性。

2. 動態(tài)特性

• 信噪失真比（SINAD）：在輸入信號為 50kHz 正弦波、峰 - 峰值為 2.5V、采樣率為 250ksps 的情況下，SINAD 可達(dá) 60dB，能夠有效抑制噪聲和失真。
• 總諧波失真（THD）：THD 低至 -72dB，保證了信號的純凈度。
• 無雜散動態(tài)范圍（SFDR）：SFDR 為 72dB，能夠有效抑制雜散信號的干擾。
• 互調(diào)失真（IMD）：在輸入信號頻率分別為 49kHz 和 52kHz 時，IMD 為 76dB，確保了多信號輸入時的性能。
• 全線性帶寬和全功率帶寬：全線性帶寬為 250kHz，全功率帶寬為 3MHz，能夠滿足高速信號采集的需求。

3. 轉(zhuǎn)換速率與時間

• 轉(zhuǎn)換時間：不同的工作模式下，轉(zhuǎn)換時間有所不同。外部時鐘模式下為 3.3μs，外部采集/內(nèi)部時鐘模式下為 2.5 - 3.5μs，內(nèi)部采集/內(nèi)部時鐘模式下為 3.2 - 4.1μs。
• 跟蹤/保持采集時間：最大為 625ns，能夠快速準(zhǔn)確地采集輸入信號。
• 孔徑延遲和抖動：外部采集或外部時鐘模式下，孔徑延遲為 50ns，孔徑抖動小于 50ns；內(nèi)部采集/內(nèi)部時鐘模式下，孔徑抖動小于 200ps。

4. 電源要求

• 供電電壓：模擬電源電壓范圍為 2.7V - 3.6V，數(shù)字電源電壓范圍為 1.8V - （VDD + 0.3V）。
• 電源電流：在不同工作模式和采樣率下，電源電流有所變化。例如，在 250ksps 采樣率、內(nèi)部參考模式下，工作電流為 2.3 - 2.6mA；在待機模式下，內(nèi)部參考時為 0.9 - 1.2mA；在掉電模式下，電流可低至 2 - 10μA。

三、工作原理詳解

MAX1061/MAX1063 采用逐次逼近（SAR）轉(zhuǎn)換技術(shù)和輸入跟蹤/保持（T/H）級，將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為 10 位數(shù)字輸出。其并行（8 + 2）輸出格式方便與標(biāo)準(zhǔn)微處理器接口。

1. 單端和偽差分操作

• 單端模式：在單端模式下，IN+ 分別連接到 MAX1061 的 CH0 - CH7 通道或 MAX1063 的 CH0 - CH3 通道，IN- 連接到 COM。
• 偽差分模式：IN+ 和 IN- 從模擬輸入對中選擇，內(nèi)部切換到相應(yīng)的模擬輸入。需要注意的是，僅對 IN+ 的信號進(jìn)行采樣，IN- 必須在轉(zhuǎn)換期間相對于 GND 保持穩(wěn)定在 ±0.5 LSB（最佳性能時為 ±0.1 LSB），可通過連接 0.1μF 電容器到 GND 來實現(xiàn)。

2. 模擬輸入保護

內(nèi)部保護二極管將模擬輸入鉗位到 VDD 和 GND，允許每個輸入通道在 (GND - 300mV) 至 (VDD + 300mV) 范圍內(nèi)擺動而不損壞。但為了在滿量程附近實現(xiàn)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，兩個輸入不得超過 (VDD + 50mV) 或低于 (GND - 50mV)。如果非活動通道的模擬輸入電壓超過電源電壓 50mV 以上，需將正向偏置輸入電流限制在 4mA。

3. 跟蹤/保持功能

MAX1061/MAX1063 的 T/H 級在 WR 的上升沿進(jìn)入跟蹤模式。在外部采集模式下，下一個 WR 的上升沿使其進(jìn)入保持模式；在內(nèi)部采集模式下，寫入控制字節(jié)后時鐘的第四個下降沿使其進(jìn)入保持模式（在內(nèi)部時鐘模式下，約 1μs 后）。跟蹤/保持時間取決于輸入信號的源阻抗和 ADC 的輸入電容，可通過公式 (t{ACQ}=7times(R{S}+R{IN})times C{IN}) 計算。當(dāng)源阻抗低于 3kΩ 時，對 AC 性能無顯著影響；若使用更高源阻抗，可連接 0.01μF 電容器到模擬輸入，以形成 RC 濾波器，但會限制信號帶寬。

4. 輸入帶寬

T/H 級提供 250kHz 的全線性帶寬和 3MHz 的全功率帶寬，可采用欠采樣技術(shù)對高速瞬變進(jìn)行數(shù)字化，并測量帶寬超過 ADC 采樣率的周期性信號。為避免高頻信號混疊，建議使用抗混疊濾波器。

5. 轉(zhuǎn)換啟動與讀取

• 啟動轉(zhuǎn)換：通過寫入控制字節(jié)選擇復(fù)用器通道并配置為單極性或雙極性操作，寫脈沖可啟動采集間隔或同時啟動采集和轉(zhuǎn)換?？刂谱止?jié)中的 ACQMOD 位提供內(nèi)部和外部兩種采集模式選擇，轉(zhuǎn)換周期在內(nèi)部或外部時鐘及采集模式下均為 13 個時鐘周期。在轉(zhuǎn)換周期內(nèi)寫入新的控制字節(jié)將中止當(dāng)前轉(zhuǎn)換并開始新的采集間隔。
• 讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果：標(biāo)準(zhǔn)中斷信號 INT 用于指示轉(zhuǎn)換結(jié)束和有效結(jié)果可用。INT 在轉(zhuǎn)換完成且輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時變?yōu)榈碗娖剑诘谝淮巫x取周期或?qū)懭胄驴刂谱止?jié)時返回高電平。

6. 時鐘模式選擇

• 內(nèi)部時鐘模式：將控制字節(jié)的 D7 位置為 1，D6 位置為 0 可選擇內(nèi)部時鐘模式。此時，內(nèi)部時鐘頻率確定，轉(zhuǎn)換時間為 3.6μs。為防止 CLK 引腳浮空，需將其拉高或拉低。
• 外部時鐘模式：將控制字節(jié)的 D6 和 D7 位置為 1 可選擇外部時鐘模式。推薦使用 100kHz - 4.8MHz、占空比為 30% - 70% 的時鐘頻率，不建議使用低于 100kHz 的時鐘頻率，以免影響 T/H 級的保持電容性能。

四、應(yīng)用要點

1. 上電復(fù)位

上電時，內(nèi)部上電復(fù)位電路使 MAX1061/MAX1063 進(jìn)入外部時鐘模式并置 INT 為高電平。電源穩(wěn)定后，內(nèi)部復(fù)位時間為 10μs，在此期間不應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作。使用內(nèi)部參考時，VREF 需要 500μs 才能穩(wěn)定。

2. 參考電壓選擇

• 內(nèi)部參考：內(nèi)部緩沖器為 REF 提供 +2.5V 參考電壓，在單極性輸入時滿量程范圍為 +2.5V，雙極性輸入時為 ±1.25V?？赏ㄟ^ REFADJ 引腳進(jìn)行小幅度（±100mV）的參考電壓調(diào)整，同時需在 REF 和 GND 之間連接至少 4.7μF 的外部電容器，REFADJ 和 GND 之間連接 0.01μF 電容器以減少噪聲和尖峰。
• 外部參考：可將外部參考電壓連接到 REF 或 REFADJ 引腳。連接到 REFADJ 時無需外部緩沖；連接到 REF 時，需將 REFADJ 連接到 VDD 以禁用內(nèi)部參考緩沖器，且外部參考電源在轉(zhuǎn)換期間需提供高達(dá) 200μA 的直流負(fù)載電流，輸出阻抗應(yīng)小于 10Ω，若參考電源噪聲較大，可在 REF 引腳附近連接 4.7μF 電容器進(jìn)行旁路。

3. 掉電模式

• 待機模式：供應(yīng)電流典型值為 850μA，在 WR 的下一個上升沿上電，可快速恢復(fù)轉(zhuǎn)換操作，適用于采樣率低于 250ksps 的應(yīng)用，能顯著降低功耗。
• 關(guān)機模式：關(guān)閉所有消耗靜態(tài)電流的芯片功能，轉(zhuǎn)換完成后典型供應(yīng)電流降至 2μA。WR 的上升沿使器件退出關(guān)機模式，但使用 4.7μF 參考旁路電容器時，上電后需等待 500μs 以達(dá)到 10 位精度；使用外部參考時，只需等待 50μs。

4. 布局、接地和旁路

為獲得最佳性能，建議使用印刷電路板（PC 板），避免使用繞線配置。模擬和數(shù)字走線應(yīng)分開布局，避免平行布線和數(shù)字信號線穿過 ADC 封裝下方。使用單獨的模擬和數(shù)字地平面，并通過單點連接（星型接地）。為減少電源噪聲對 ADC 的影響，應(yīng)在 VDD 和星型接地之間使用 0.1μF 和 4.7μF 的并聯(lián)電容器進(jìn)行旁路，盡量縮短電容引腳長度，若電源噪聲較大，可添加 5Ω 衰減電阻。

五、總結(jié)與思考

MAX1061/MAX1063 以其低功耗、高分辨率、靈活的輸入配置和出色的性能，為電子工程師在設(shè)計電池供電設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)等方面提供了優(yōu)秀的解決方案。但在實際應(yīng)用中，我們?nèi)孕韪鶕?jù)具體的應(yīng)用場景和要求，合理選擇參考電壓、時鐘模式和工作模式，同時注意電路布局和接地，以確保 ADC 能夠發(fā)揮最佳性能。你在使用類似的 ADC 時，遇到過哪些挑戰(zhàn)和問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。