MAX1178/MAX1188：高性能16位單電源ADC的卓越之選

在電子設(shè)計領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們要深入探討的是Maxim公司的兩款16位、135ksps單電源ADC——MAX1178和MAX1188，它們以其出色的性能和豐富的特性，在眾多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出強大的競爭力。

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一、器件概述

MAX1178和MAX1188是低功耗、逐次逼近型ADC，具備自動掉電功能、工廠校準(zhǔn)的內(nèi)部時鐘以及字節(jié)寬并行接口。它們采用單+4.75V至+5.25V模擬電源供電，并配備獨立的數(shù)字電源輸入，可直接與+2.7V至+5.25V的數(shù)字邏輯接口相連。

特性亮點

1. 寬輸入電壓范圍：MAX1188支持±10V的雙極性模擬輸入電壓范圍，而MAX1178則支持±5V的范圍，滿足不同應(yīng)用的需求。
2. 低功耗設(shè)計：在使用外部參考時，采樣率為135ksps時功耗不超過26.5mW；使用內(nèi)部+4.096V參考時，功耗為31mW。AutoShutdown?功能可在10ksps時將電源電流降至0.4mA。
3. 高精度性能：具有±2 LSB的積分非線性（INL）和±1 LSB的微分非線性（DNL），確保了出色的DC精度。
4. 小封裝設(shè)計：采用20引腳TSSOP封裝，節(jié)省電路板空間。

二、電氣特性

1. DC精度

• 分辨率：16位，提供高精度的轉(zhuǎn)換結(jié)果。
• DNL和INL：不同型號的DNL和INL表現(xiàn)有所差異，但都能保證良好的線性度。
• 過渡噪聲：外部參考時RMS噪聲為0.75 LSB，內(nèi)部參考時為0.6 LSB。
• 偏移誤差和增益誤差：偏移誤差在-10mV至+10mV之間，增益誤差為±0.2% FSR。
• 偏移漂移和增益漂移：偏移漂移為16μV/°C，增益漂移為±1 ppm/°C。

2. AC精度

在fIN = 1kHz、VAIN為全范圍、采樣率為135ksps的條件下：

• SINAD：86 - 90 dB
• SNR：87 - 91 dB
• THD：-100 - -92 dB
• SFDR：92 - 103 dB

3. 模擬輸入

• 輸入范圍：MAX1188為±10V，MAX1178為±5V。
• 輸入電阻：正常工作時，MAX1178為3.0 - 9.2 kΩ，MAX1188為6.0 - 13.0 kΩ；關(guān)機模式下，MAX1178為5.3 - 6.9 kΩ，MAX1188為7.8 - 10 kΩ。
• 輸入電流：正常工作時，MAX1178和MAX1188的輸入電流范圍為-1.8mA至+1.2mA；關(guān)機模式下為-1.8mA至+1.8mA。

4. 內(nèi)部參考

• REF輸出電壓：4.056 - 4.136V
• REF輸出溫度系數(shù)：±35 ppm/°C
• REF短路電流：±10 mA

5. 外部參考

• REF和REFADJ輸入電壓范圍：3.8 - 4.2V
• REFADJ緩沖禁用閾值：AVDD - 0.4V至AVDD - 0.1V
• REF輸入電流：正常模式下為60 - 100μA，關(guān)機模式下為±10μA
• REFADJ輸入電流：16μA

6. 數(shù)字輸入/輸出

• 輸出高電壓：DVDD - 0.4V
• 輸出低電壓：0.4V
• 輸入高電壓：0.7x DVDD
• 輸入低電壓：0.3x DVDD
• 輸入泄漏電流：-1 - +1μA
• 輸入滯后：0.2V
• 輸入電容：15 pF
• 三態(tài)輸出泄漏電流：±10μA
• 三態(tài)輸出電容：15 pF

7. 電源

• 模擬電源電壓：4.75 - 5.25V
• 數(shù)字電源電壓：2.70 - 5.25V
• 模擬電源電流：使用外部參考時為4 - 5.3mA，使用內(nèi)部參考時為5.2 - 6.2mA
• 關(guān)機電源電流：關(guān)機模式下為0.5 - 5μA，待機模式下為3.7mA
• 數(shù)字電源電流：0.75mA
• 電源抑制比：3.5 LSB

8. 時序特性

• 最大采樣率：135 ksps
• 采集時間：2μs
• 轉(zhuǎn)換時間：4.7μs
• CS脈沖寬度高：40ns
• CS脈沖寬度低：DVDD = 4.75V至5.25V時為40ns，DVDD = 2.7V至5.25V時為60ns
• R/C到CS下降建立時間：0ns
• R/C到CS下降保持時間：DVDD = 4.75V至5.25V時為40ns，DVDD = 2.7V至5.25V時為60ns
• CS到輸出數(shù)據(jù)有效時間：DVDD = 4.75V至5.25V時為40ns，DVDD = 2.7V至5.25V時為80ns
• EOC下降到CS下降時間：0ns
• CS上升到EOC上升時間：DVDD = 4.75V至5.25V時為40ns，DVDD = 2.7V至5.25V時為80ns
• 總線釋放時間：DVDD = 4.75V至5.25V時為40ns，DVDD = 2.7V至5.25V時為80ns
• HBEN過渡到輸出數(shù)據(jù)有效時間：DVDD = 4.75V至5.25V時為40ns，DVDD = 2.7V至5.25V時為80ns

三、典型工作特性

1. 電源電流與溫度、采樣率的關(guān)系

• 電源電流（AVDD + DVDD）隨溫度和采樣率的變化而變化。在不同的工作模式下，電源電流表現(xiàn)出不同的特性。
• 關(guān)機電流（AVDD + DVDD）也與溫度有關(guān)，關(guān)機模式下電流顯著降低。

2. DNL和INL與代碼的關(guān)系

DNL和INL的特性曲線展示了器件在不同代碼下的線性度表現(xiàn)，有助于評估其轉(zhuǎn)換精度。

3. 偏移誤差和增益誤差與溫度的關(guān)系

偏移誤差和增益誤差隨溫度的變化情況，對于需要高精度測量的應(yīng)用至關(guān)重要。

4. 內(nèi)部參考與溫度的關(guān)系

內(nèi)部參考電壓隨溫度的變化會影響ADC的轉(zhuǎn)換精度，了解其特性有助于進(jìn)行補償和校準(zhǔn)。

5. SFDR、SINAD和THD與頻率的關(guān)系

這些參數(shù)反映了ADC在不同頻率下的AC性能，對于處理高頻信號的應(yīng)用具有重要意義。

四、引腳描述

MAX1178/MAX1188的20個引腳各自承擔(dān)著不同的功能，以下是部分關(guān)鍵引腳的介紹：

• D0 - D15：三態(tài)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出引腳，用于輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。
• R/C：讀/轉(zhuǎn)換輸入引腳，控制器件的工作模式和電源狀態(tài)。
• EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志引腳，轉(zhuǎn)換完成時EOC驅(qū)動為低電平。
• AVDD：模擬電源輸入引腳，需通過0.1μF電容旁路到AGND。
• AGND：模擬地引腳。
• AIN：模擬輸入引腳。
• REFADJ：參考緩沖輸出引腳，用于選擇內(nèi)部或外部參考模式。
• REF：參考輸入/輸出引腳，內(nèi)部參考模式下需通過10μF電容旁路到AGND。
• HBEN：高字節(jié)使能輸入引腳，用于多路復(fù)用16位轉(zhuǎn)換結(jié)果。
• CS：轉(zhuǎn)換啟動引腳，控制器件的電源和轉(zhuǎn)換過程。
• DVDD：數(shù)字電源電壓引腳，需通過0.1μF電容旁路到DGND。

五、詳細(xì)工作原理

1. 轉(zhuǎn)換器操作

MAX1178/MAX1188采用逐次逼近（SAR）轉(zhuǎn)換技術(shù)，內(nèi)置跟蹤保持（T/H）階段，將模擬輸入轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字輸出。并行輸出提供了與微處理器的高速接口。

2. 模擬輸入縮放

輸入縮放器允許在單+5V模擬電源下轉(zhuǎn)換真正的雙極性輸入電壓和大于電源電壓的輸入電壓。它將模擬輸入進(jìn)行衰減和移位，以匹配內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸入范圍。

3. 跟蹤保持（T/H）

在跟蹤模式下，內(nèi)部保持電容獲取模擬信號；在保持模式下，T/H開關(guān)打開，電容式DAC對模擬輸入進(jìn)行采樣。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將CS拉低可使有效數(shù)據(jù)輸出到總線。

4. 電源掉電模式

通過R/C位在CS的第二個下降沿選擇待機模式或關(guān)機模式。待機模式下，內(nèi)部參考和參考緩沖器保持開啟，無需等待參考電源啟動即可進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)換；關(guān)機模式下，轉(zhuǎn)換完成后參考和參考緩沖器掉電，再次啟動時需要至少12ms的時間來喚醒和穩(wěn)定。

5. 內(nèi)部時鐘

MAX1178/MAX1188生成內(nèi)部轉(zhuǎn)換時鐘，減輕了微處理器運行SAR轉(zhuǎn)換時鐘的負(fù)擔(dān)。進(jìn)入保持模式（CS的第二個下降沿）到轉(zhuǎn)換結(jié)束（EOC下降）的總轉(zhuǎn)換時間最大為4.7μs。

六、應(yīng)用信息

1. 啟動轉(zhuǎn)換

通過CS和R/C控制MAX1178/MAX1188的采集和轉(zhuǎn)換過程。CS的第一個下降沿在R/C為低電平時為器件上電并使其進(jìn)入采集模式；如果R/C為高電平，則忽略轉(zhuǎn)換啟動信號。從關(guān)機狀態(tài)上電時，內(nèi)部參考需要至少12ms的時間來喚醒和穩(wěn)定。

2. 選擇待機或關(guān)機模式

R/C在CS的第二個下降沿的狀態(tài)決定了器件進(jìn)入待機模式還是關(guān)機模式。R/C為低電平時進(jìn)入待機模式，參考和緩沖器保持開啟；R/C為高電平時進(jìn)入關(guān)機模式，轉(zhuǎn)換完成后參考和緩沖器掉電。

3. 內(nèi)部和外部參考

• 內(nèi)部參考：內(nèi)部參考提供+4.096V的輸出，通過10μF和0.1μF的電容分別旁路REF和REFADJ到AGND。可通過在REFADJ處吸收或提供電流來微調(diào)內(nèi)部參考。
• 外部參考：可將外部參考放置在內(nèi)部緩沖放大器的輸入（REFADJ）或輸出（REF）端。使用緩沖的REFADJ輸入可無需對外部參考進(jìn)行緩沖。

4. 讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果

EOC用于標(biāo)志轉(zhuǎn)換完成，EOC的下降沿表示數(shù)據(jù)有效并準(zhǔn)備輸出到總線。D0 - D15為并行輸出，在采集和轉(zhuǎn)換期間輸出為高阻抗。CS的第三個下降沿且R/C為高電平時，數(shù)據(jù)加載到輸出總線；CS為高電平時，輸出總線回到高阻抗?fàn)顟B(tài)。

5. 輸入緩沖

大多數(shù)應(yīng)用需要輸入緩沖放大器來實現(xiàn)16位精度并防止源負(fù)載。當(dāng)輸入信號多路復(fù)用時，應(yīng)在采集后立即切換通道，以給輸入緩沖放大器足夠的時間響應(yīng)輸入信號的大變化。

七、布局、接地和旁路

為了獲得最佳性能，在設(shè)計電路板時應(yīng)注意以下幾點：

• 使用印刷電路板，避免模擬和數(shù)字線路相互平行，不要將數(shù)字信號路徑布置在ADC封裝下方。
• 使用獨立的模擬和數(shù)字接地平面，并在盡可能靠近器件的位置將兩個接地系統(tǒng)連接在一起。
• 將數(shù)字信號遠(yuǎn)離敏感的模擬和參考輸入。如果數(shù)字線路必須與模擬線路交叉，應(yīng)采用直角交叉以減少數(shù)字噪聲耦合到模擬線路上。
• 如果模擬和數(shù)字部分共享同一電源，可通過連接一個低阻值（10Ω）的電阻或鐵氧體磁珠來隔離數(shù)字和模擬電源。
• 對AVDD進(jìn)行旁路，使用0.1μF電容與1μF至10μF的低ESR電容并聯(lián)，且最小的電容應(yīng)最靠近器件。保持電容引腳短，以減少雜散電感。

八、總結(jié)

MAX1178/MAX1188以其高精度、低功耗、寬輸入電壓范圍和豐富的功能特性，成為高性能、電池供電、數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的理想選擇。無論是工業(yè)過程控制、儀器儀表還是醫(yī)療應(yīng)用，它們都能提供可靠的解決方案。在實際應(yīng)用中，合理選擇工作模式、參考源和輸入緩沖，以及注意電路板的布局和接地，將有助于充分發(fā)揮器件的性能優(yōu)勢。你在使用類似ADC時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。