MAX148/MAX149：低功耗8通道10位串行ADC的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的精度和效率。今天，我們就來(lái)深入探討一下MAX148/MAX149這兩款低功耗、8通道、串行10位ADC，看看它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中能為我們帶來(lái)哪些優(yōu)勢(shì)。

文件下載：MAX149.pdf

一、產(chǎn)品概述

MAX148/MAX149是兩款高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它們將8通道多路復(fù)用器、高帶寬跟蹤/保持電路和串行接口集于一身，具備高轉(zhuǎn)換速度和低功耗的特點(diǎn)。這兩款A(yù)DC可以在單電源+2.7V至+5.25V的電壓范圍內(nèi)工作，采樣速率最高可達(dá)133ksps。其模擬輸入支持軟件配置，可實(shí)現(xiàn)單極性/雙極性以及單端/差分操作。此外，它們還擁有4線(xiàn)串行接口，能直接與SPI/QSPI和MICROWIRE設(shè)備連接，無(wú)需外部邏輯。

二、產(chǎn)品特性

1. 電源與輸入特性

• 寬電源范圍：支持+2.7V至+5.25V的單電源供電，適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)景。
• 多通道輸入：提供8通道單端或4通道差分輸入，滿(mǎn)足不同的信號(hào)采集需求。

  2. 參考電壓

• 內(nèi)部參考：MAX149具備內(nèi)部2.5V參考電壓，而MAX148則需要外部參考電壓。
• 參考緩沖器：兩款器件都配備了參考緩沖放大器，電壓調(diào)整范圍為±1.5%。

  3. 低功耗設(shè)計(jì)

• 不同速率下的低功耗：在133ksps、3V電源下，電流僅為1.2mA；在1ksps、3V電源下，電流為54μA；在掉電模式下，電流低至1μA。
• 自動(dòng)關(guān)機(jī)功能：可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)束后自動(dòng)關(guān)機(jī)，訪(fǎng)問(wèn)串行接口時(shí)會(huì)自動(dòng)上電，快速開(kāi)啟時(shí)間允許在轉(zhuǎn)換間隔期間關(guān)閉器件，有效降低功耗。

  4. 接口兼容性

• 4線(xiàn)串行接口：與SPI/QSPI/MICROWIRE/TMS320兼容，方便與各種微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器連接。

  5. 封裝形式

• 多種封裝可選：提供20引腳PDIP和20引腳SSOP封裝，便于不同的PCB布局設(shè)計(jì)。

三、電氣特性

1. 直流精度

• 分辨率：10位分辨率，能夠提供較高的測(cè)量精度。
• 相對(duì)精度：MAX14_A型號(hào)的積分非線(xiàn)性（INL）為±0.5 LSB，MAX14_B型號(hào)為±1.0 LSB。
• 差分非線(xiàn)性：在整個(gè)溫度范圍內(nèi)無(wú)丟碼現(xiàn)象，差分非線(xiàn)性（DNL）為±1 LSB。

  2. 動(dòng)態(tài)特性

• 信號(hào)質(zhì)量：在10kHz正弦波輸入、0至2.500VP - P、133ksps、2.0MHz外部時(shí)鐘、雙極性輸入模式下，信噪失真比（SINAD）為66dB，總諧波失真（THD）低至 - 70dB，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）為70dB。
• 帶寬：小信號(hào)帶寬為2.25MHz，全功率帶寬為1.0MHz。

  3. 轉(zhuǎn)換速率

• 內(nèi)部時(shí)鐘：SHDN未連接時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為5.5 - 7.5μs；SHDN連接VDD時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為35 - 65μs。
• 外部時(shí)鐘：在2MHz外部時(shí)鐘、12個(gè)時(shí)鐘/轉(zhuǎn)換周期的條件下，轉(zhuǎn)換時(shí)間為6μs。

四、工作原理

1. 偽差分輸入

ADC的模擬比較器采用偽差分輸入架構(gòu)。在單端模式下，IN + 內(nèi)部連接到CH0 - CH7，IN - 連接到COM；在差分模式下，IN + 和IN - 從CH0/CH1、CH2/CH3、CH4/CH5、CH6/CH7這幾對(duì)通道中選擇。在差分模式下，只有IN + 的信號(hào)被采樣，IN - 必須在轉(zhuǎn)換期間相對(duì)于AGND保持穩(wěn)定在±0.5 LSB（最佳結(jié)果為±0.1 LSB）。

2. 跟蹤/保持電路

T/H電路在8位控制字的第5位移入后的下降沿進(jìn)入跟蹤模式，在第8位移入后的下降沿進(jìn)入保持模式。其獲取輸入信號(hào)的時(shí)間取決于輸入電容的充電速度，如果輸入信號(hào)源阻抗較高，獲取時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，需要在轉(zhuǎn)換之間留出更多時(shí)間。獲取時(shí)間tACQ的計(jì)算公式為[t{ACQ}=7 timesleft(RS{S}+R{IN}right) × 16 pF]，其中(R{IN}=9 k Omega) ，RS為輸入信號(hào)的源阻抗，tACQ不小于1.5μs。

五、應(yīng)用信息

1. 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換

通過(guò)將控制字節(jié)時(shí)鐘輸入到DIN來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。CS置低后，SCLK的每個(gè)上升沿將DIN的一位時(shí)鐘輸入到MAX148/MAX149的內(nèi)部移位寄存器。CS下降后，第一個(gè)到達(dá)的邏輯“1”位定義控制字節(jié)的最高有效位（MSB）。

2. 軟件接口

在外部時(shí)鐘模式下，可通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的軟件接口：

• 設(shè)置控制字節(jié)TB1，格式為1XXXXX11二進(jìn)制，其中X表示所選的特定通道和轉(zhuǎn)換模式。
• 使用CPU的通用I/O線(xiàn)將CS置低。
• 發(fā)送TB1并同時(shí)接收字節(jié)RB1，忽略RB1。
• 發(fā)送全零字節(jié)（$00十六進(jìn)制）并同時(shí)接收字節(jié)RB2。
• 再次發(fā)送全零字節(jié)（$00十六進(jìn)制）并同時(shí)接收字節(jié)RB3。
• 將CS置高。

  3. 時(shí)鐘模式

• 外部時(shí)鐘模式：外部時(shí)鐘不僅用于數(shù)據(jù)的移入和移出，還驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換步驟。SSTRB在控制字節(jié)的最后一位之后脈沖高電平一個(gè)時(shí)鐘周期，連續(xù)逼近位決策在接下來(lái)的12個(gè)SCLK下降沿出現(xiàn)在DOUT。
• 內(nèi)部時(shí)鐘模式：MAX148/MAX149內(nèi)部生成自己的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，SSTRB在轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)置低，轉(zhuǎn)換完成時(shí)置高。轉(zhuǎn)換過(guò)程中，SCLK應(yīng)保持低電平以獲得最佳噪聲性能。

六、電源管理

1. 上電復(fù)位

上電時(shí)，如果SHDN未拉低，內(nèi)部上電復(fù)位電路會(huì)使MAX148/MAX149在內(nèi)部時(shí)鐘模式下激活，SSTRB為高電平。電源穩(wěn)定后，內(nèi)部復(fù)位時(shí)間為10μs，在此期間不應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2. 參考緩沖器補(bǔ)償

SHDN引腳除了具有關(guān)機(jī)功能外，還可選擇內(nèi)部或外部補(bǔ)償。外部補(bǔ)償需要在VREF引腳使用4.7μF電容，可確保參考緩沖器穩(wěn)定，但會(huì)增加上電時(shí)間；內(nèi)部補(bǔ)償無(wú)需外部電容，上電時(shí)間最短。

3. 掉電模式

• 軟件掉電：通過(guò)控制字節(jié)的PD1和PD0位選擇全功率掉電或快速掉電模式。軟件掉電時(shí)，ADC在轉(zhuǎn)換完成后進(jìn)入低靜態(tài)電流狀態(tài)。
• 硬件掉電：將SHDN拉低可使轉(zhuǎn)換器進(jìn)入硬件掉電狀態(tài)，轉(zhuǎn)換停止。SHDN還可控制內(nèi)部時(shí)鐘頻率。

七、參考電壓

1. 內(nèi)部參考（MAX149）

MAX149的內(nèi)部參考電壓為2.5V，單極性輸入時(shí)滿(mǎn)量程范圍為2.5V，雙極性輸入時(shí)為±1.25V。內(nèi)部參考電壓可通過(guò)電路調(diào)整±1.5%。

2. 外部參考

外部參考可連接到VREF或REFADJ引腳。在VREF引腳，外部參考需提供高達(dá)350μA的直流負(fù)載電流，輸出阻抗應(yīng)不超過(guò)10Ω。使用REFADJ輸入可無(wú)需對(duì)外部參考進(jìn)行緩沖。

八、布局與接地

為了獲得最佳性能，建議使用PCB板，避免使用繞線(xiàn)板。電路板布局應(yīng)確保數(shù)字和模擬信號(hào)線(xiàn)相互分離，避免模擬和數(shù)字（特別是時(shí)鐘）線(xiàn)相互平行或數(shù)字線(xiàn)位于ADC封裝下方。建立單點(diǎn)模擬接地（星形接地點(diǎn)），將所有其他模擬接地和DGND連接到該星形接地。

九、接口應(yīng)用

1. QSPI接口

MAX148/MAX149可通過(guò)QSPI接口與微處理器連接，最高支持2MHz的外部時(shí)鐘頻率。QSPI電路可對(duì)八個(gè)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果存儲(chǔ)在內(nèi)存中，減輕CPU負(fù)擔(dān)。

2. TMS320LC3x接口

通過(guò)特定的配置和步驟，可將MAX148/MAX149與TMS320LC3x數(shù)字信號(hào)處理器連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換。

總之，MAX148/MAX149憑借其低功耗、多通道、高分辨率等特性，在便攜式數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)采集、醫(yī)療儀器、電池供電儀器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師們可以根據(jù)具體需求合理選擇參考電壓、時(shí)鐘模式和掉電模式，優(yōu)化系統(tǒng)性能，降低功耗。大家在使用過(guò)程中是否遇到過(guò)什么問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。