MAX1142/MAX1143：高性能14位ADC的卓越之選

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)的精度和穩(wěn)定性。今天，我們就來(lái)深入探討MAXIM公司的兩款14位ADC——MAX1142和MAX1143，它們以其出色的性能和豐富的功能，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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一、產(chǎn)品概述

MAX1142/MAX1143是兩款采樣率高達(dá)200ksps的14位ADC，采用串行接口，可直接與SPI?、QSPI?和MICROWIRE?設(shè)備連接，無(wú)需外部邏輯。它們集成了輸入縮放網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)部跟蹤/保持電路、時(shí)鐘、+4.096V參考以及三個(gè)通用數(shù)字輸出引腳，封裝為20引腳SSOP。其卓越的動(dòng)態(tài)性能（SINAD ≥ 81 dB）、高速采樣能力和低功耗（7.5mA），使其非常適用于工業(yè)過(guò)程控制、儀器儀表和醫(yī)療應(yīng)用等領(lǐng)域。

輸入范圍

MAX1142可接受0至+12V（單極性）或±12V（雙極性）的輸入信號(hào)，而MAX1143則可接受0至+4.096V（單極性）或±4.096V（雙極性）的輸入信號(hào)。這種靈活的輸入范圍選擇，能夠滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

電源與功耗

它們采用單一的+4.75V至+5.25V模擬電源和+4.75V至+5.25V數(shù)字電源供電。在不同的數(shù)據(jù)速率下，其功耗表現(xiàn)出色。例如，在10ksps時(shí)，掉電模式可將電流消耗降至1mA；在更低的數(shù)據(jù)速率下，電源電流可進(jìn)一步降低至小于20μA。

串行接口

串行選通輸出（SSTRB）允許直接連接到TMS320系列數(shù)字信號(hào)處理器。用戶(hù)可以選擇內(nèi)部時(shí)鐘或外部串行接口時(shí)鐘進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

二、產(chǎn)品特性

高采樣率與高精度

• 采樣率：具有200ksps（雙極性）和150ksps（單極性）的采樣率，能夠快速準(zhǔn)確地采集模擬信號(hào)。
• 分辨率：14位分辨率，無(wú)漏碼，保證了轉(zhuǎn)換的精度。
• 線(xiàn)性度：保證1LSB的積分非線(xiàn)性（INL），確保了轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性。
• 動(dòng)態(tài)性能：最小SINAD為81dB，提供了良好的信號(hào)質(zhì)量。

低功耗設(shè)計(jì)

• 正常模式：?jiǎn)螛O性模式下功耗僅為7.5mA。
• 關(guān)機(jī)模式：關(guān)機(jī)模式下功耗低至2.5μA，適合電池供電的應(yīng)用。

靈活的輸入范圍

用戶(hù)可通過(guò)軟件配置單極性和雙極性輸入范圍，滿(mǎn)足不同應(yīng)用的需求。

內(nèi)部或外部參考與時(shí)鐘

支持內(nèi)部或外部參考和時(shí)鐘，為設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性。

串行接口兼容性

與SPI/QSPI/MICROWIRE兼容的串行接口，方便與各種微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器連接。

用戶(hù)可編程輸出

提供三個(gè)用戶(hù)可編程邏輯輸出，可用于控制8通道MUX或PGA。

小封裝

采用20引腳SSOP小封裝，節(jié)省電路板空間。

三、電氣特性

直流精度

• 分辨率：14位。
• 相對(duì)精度：?jiǎn)螛O性模式下，MAX114_A的INL為±1 LSB，MAX114_B的INL為±2 LSB。
• 差分非線(xiàn)性：?jiǎn)螛O性模式下DNL為±1 LSB。
• 偏移誤差：?jiǎn)螛O性模式下為±4mV，雙極性模式下為±6mV。
• 增益誤差：?jiǎn)螛O性模式下為±0.2% FSR，雙極性模式下為±0.3% FSR。
• 偏移漂移和增益漂移：雙極性和單極性模式下，排除參考漂移后，偏移漂移和增益漂移均為±1 ppm/°C。

動(dòng)態(tài)規(guī)格

在5kHz正弦波輸入、200ksps采樣率、4.8MHz時(shí)鐘和雙極性輸入模式下，SINAD為81dB（fIN = 5kHz）和82dB（fIN = 100kHz），SNR為82dB（fIN = 5kHz和fIN = 100kHz），THD為 -88dB（fIN = 5kHz）和 -91dB（fIN = 100kHz），SFDR為90dB（fIN = 5kHz）和95dB（fIN = 100kHz）。

模擬輸入

• 輸入范圍：MAX1142單極性為0至12V，雙極性為 -12至12V；MAX1143單極性為0至4.096V，雙極性為 -4.096至4.096V。
• 輸入阻抗：MAX1142單極性為100 - 1000 kΩ，雙極性為3.4 - 4.5 kΩ；輸入電容為32 pF。

轉(zhuǎn)換速率

• 內(nèi)部時(shí)鐘頻率：4 MHz。
• 孔徑延遲：10 ns。
• 孔徑抖動(dòng)：50 ps。

不同模式下的性能

• 模式1（24個(gè)外部時(shí)鐘周期/轉(zhuǎn)換）：外部時(shí)鐘頻率單極性和雙極性均為0.1 - 4.8 MHz，采樣率單極性和雙極性均為4.17 - 200 ksps，轉(zhuǎn)換時(shí)間單極性和雙極性均為8 - 240 μs。
• 模式2（內(nèi)部時(shí)鐘模式）：外部時(shí)鐘頻率（僅數(shù)據(jù)傳輸）為8 MHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間SSTRB低脈沖寬度為4 - 6 μs，采集時(shí)間單極性為1.82 μs，雙極性為1.14 μs。
• 模式3（32個(gè)外部時(shí)鐘周期/轉(zhuǎn)換）：外部時(shí)鐘頻率單極性或雙極性均為0.1 - 4.8 MHz，采樣率單極性或雙極性均為3.125 - 150 ksps，轉(zhuǎn)換時(shí)間單極性或雙極性均為6.67 - 320 μs。

內(nèi)部參考

• 輸出電壓：4.056 - 4.136 V。
• 短路電流：24 mA。
• 輸出溫度系數(shù)：±20 ppm/°C。
• 電容旁路：REF處為0.47 - 10 μF，REFADJ處最大為10 μF。
• REFADJ輸出電壓：4.096 V。
• REFADJ輸入范圍：可在4.096V基礎(chǔ)上進(jìn)行±100 mV的小調(diào)整。

外部參考

• 輸入范圍：3.0 - 4.2 V。
• 輸入電流：VREF = 4.096V，fSCLK = 4.8MHz時(shí)為250 μA；VREF = 4.096V，fSCLK = 0時(shí)為230 μA；掉電模式下，fSCLK = 0時(shí)為0.1 μA。
• 輸入高電壓：2.4 V。
• 輸入低電壓：0.8 V。
• 輸入泄漏：±1 μA。
• 輸入滯后：0.2 V。
• 輸入電容：10 pF。

數(shù)字輸出

• 輸出高電壓：ISOURCE = 0.5mA時(shí)為DVDD - 0.5 V。
• 輸出低電壓：ISINK = 5mA時(shí)為0.4 V，ISINK = 16mA時(shí)為0.8 V。
• 三態(tài)泄漏電流：CS = DVDD時(shí)為±10 μA。
• 三態(tài)輸出電容：CS = DVDD時(shí)為10 pF。

電源

• 模擬電源：4.75 - 5.25 V。
• 數(shù)字電源：4.75 - 5.25 V。
• 模擬電源電流：?jiǎn)螛O性模式下為5 - 8 mA，雙極性模式下為8.5 - 11 mA；SHDN = 0或軟件掉電模式下為0.3 - 10 μA。
• 數(shù)字電源電流：?jiǎn)螛O性或雙極性模式下為2.5 - 3.5 mA；SHDN = 0或軟件掉電模式下為2.2 - 10 μA。
• 電源抑制比：AVDD = DVDD = 4.75V至5.25V時(shí)為72 dB。

四、引腳描述

REF

參考緩沖輸出/ADC參考輸入，用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電壓。內(nèi)部參考模式下，參考緩沖提供+4.096V標(biāo)稱(chēng)輸出，可在REFADJ處進(jìn)行外部調(diào)整；外部參考模式下，將REFADJ拉至AVDD可禁用內(nèi)部緩沖。使用內(nèi)部參考時(shí)，需用2.2μF電容旁路至AGND。

REFADJ

帶隙參考輸出/帶隙參考緩沖輸入，需用0.22μF電容旁路至AGND。使用外部參考時(shí)，將REFADJ連接到AVDD可禁用內(nèi)部帶隙參考。

AGND

模擬地，是主要的模擬接地（星型接地）。

AVDD

模擬電源，5V ±5%，需用0.1μF電容旁路至AGND。

DGND

數(shù)字地。

SHDN

關(guān)機(jī)控制輸入，將SHDN拉低可使ADC進(jìn)入關(guān)機(jī)模式。

P2、P1、P0

用戶(hù)可編程輸出，上電默認(rèn)狀態(tài)為零，可用于驅(qū)動(dòng)多路復(fù)用器、PGA或其他信號(hào)預(yù)處理電路。

SSTRB

串行選通輸出，內(nèi)部時(shí)鐘模式下，轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)SSTRB變低，轉(zhuǎn)換完成時(shí)變高；外部時(shí)鐘模式下，在MSB決策前，SSTRB脈沖高電平一個(gè)時(shí)鐘周期。CS為高電平時(shí)，外部時(shí)鐘模式下SSTRB為高阻抗。

DOUT

串行數(shù)據(jù)輸出，MSB優(yōu)先，單極性輸入為直二進(jìn)制格式，雙極性輸入為補(bǔ)碼格式。每個(gè)位在SCLK的下降沿從DOUT輸出。

RST

復(fù)位輸入，將RST拉低可使設(shè)備進(jìn)入上電默認(rèn)模式。

SCLK

串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入，SCLK的上升沿加載DIN上的串行數(shù)據(jù)，SCLK的下降沿更新DOUT上的串行數(shù)據(jù)。外部時(shí)鐘模式下，SCLK設(shè)置轉(zhuǎn)換速度。

DIN

串行數(shù)據(jù)輸入，DIN上的串行數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿鎖存。

CS

芯片選擇輸入，將CS拉低可啟用串行接口。CS為高電平時(shí)，DOUT為高阻抗。外部時(shí)鐘模式下，CS為高電平時(shí)SSTRB為高阻抗。

CREF

參考緩沖旁路，需用1μF電容旁路至AGND。

AIN

模擬輸入。

五、詳細(xì)工作原理

轉(zhuǎn)換技術(shù)

MAX1142/MAX1143采用逐次逼近技術(shù)和輸入跟蹤/保持（T/H）電路，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為14位數(shù)字輸出。它們可以輕松與微處理器接口，數(shù)據(jù)位可以在外部時(shí)鐘模式下的轉(zhuǎn)換過(guò)程中讀取，也可以在內(nèi)部時(shí)鐘模式下的轉(zhuǎn)換完成后讀取。

校準(zhǔn)

為了最小化線(xiàn)性度、偏移和增益誤差，MAX1142/MAX1143具有按需軟件校準(zhǔn)功能。通過(guò)寫(xiě)入控制字節(jié)（M1 = 0，M0 = 1）啟動(dòng)校準(zhǔn)，并通過(guò)設(shè)置控制字節(jié)中的INT/EXT位選擇內(nèi)部或外部時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)電路可以消除同步噪聲（如轉(zhuǎn)換時(shí)鐘）引起的偏移，但如果時(shí)鐘或其他數(shù)字信號(hào)的形狀或相對(duì)時(shí)序發(fā)生變化，可能需要重新校準(zhǔn)。

輸入縮放

輸入縮放器允許在單+5V電源下轉(zhuǎn)換真正的雙極性輸入電壓。它根據(jù)需要對(duì)輸入進(jìn)行衰減和移位，將外部輸入范圍映射到內(nèi)部DAC的輸入范圍。MAX1142的模擬輸入范圍為0至+12V（單極性）或±12V（雙極性），MAX1143的模擬輸入范圍為0至+4.096V（單極性）或±4.096V（雙極性）。單極性和雙極性模式的選擇通過(guò)串行控制字節(jié)的第6位進(jìn)行配置。

數(shù)字接口

數(shù)字接口引腳包括SHDN、RST、SSTRB、DOUT、SCLK、DIN和CS。SHDN拉低時(shí)，設(shè)備進(jìn)入2.5μA關(guān)機(jī)模式；RST拉低時(shí)，設(shè)備停止運(yùn)行并返回上電復(fù)位狀態(tài)。外部時(shí)鐘模式下，SSTRB在轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)低電平并脈沖高電平一個(gè)時(shí)鐘周期；內(nèi)部時(shí)鐘模式下，SSTRB在轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)變低，轉(zhuǎn)換完成時(shí)變高。DIN接受控制字節(jié)數(shù)據(jù)，在SCLK的上升沿時(shí)鐘輸入；SCLK是串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘，也在外部時(shí)鐘模式下驅(qū)動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換步驟；DOUT是轉(zhuǎn)換結(jié)果的串行輸出，在SCLK的下降沿更新；CS必須為低電平，設(shè)備才能接受控制字節(jié)。

用戶(hù)可編程輸出

MAX1142/MAX1143有三個(gè)用戶(hù)可編程輸出P0、P1和P2，上電默認(rèn)狀態(tài)為零。它們是推挽CMOS輸出，可用于驅(qū)動(dòng)多路復(fù)用器、PGA或其他信號(hào)預(yù)處理電路。用戶(hù)可編程輸出由控制字節(jié)的第0、1和2位控制。

啟動(dòng)轉(zhuǎn)換

通過(guò)將控制字節(jié)時(shí)鐘輸入到設(shè)備的內(nèi)部移位寄存器來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。CS為低電平時(shí)，SCLK的每個(gè)上升沿將DIN的一個(gè)位時(shí)鐘輸入到內(nèi)部移位寄存器。CS變低或轉(zhuǎn)換或校準(zhǔn)完成后，第一個(gè)邏輯“1”被定義為控制字節(jié)的起始位。在采集或轉(zhuǎn)換過(guò)程中，如果CS變高然后變低，設(shè)備將進(jìn)入可以識(shí)別新起始位的狀態(tài)。如果在當(dāng)前轉(zhuǎn)換完成前出現(xiàn)新的起始位，當(dāng)前轉(zhuǎn)換將被中止，新的采集將啟動(dòng)。

內(nèi)部和外部時(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)A/D轉(zhuǎn)換步驟。短采集模式下，SSTRB在起始位后的第七個(gè)SCLK下降沿后脈沖高電平一個(gè)時(shí)鐘周期，轉(zhuǎn)換的MSB在第八個(gè)SCLK下降沿出現(xiàn)在DOUT；長(zhǎng)采集模式下，SSTRB在起始位后的第十五個(gè)SCLK下降沿后脈沖高電平一個(gè)時(shí)鐘周期，轉(zhuǎn)換的MSB在第十六個(gè)SCLK下降沿出現(xiàn)在DOUT。
• 內(nèi)部時(shí)鐘模式：MAX1142/MAX1143生成自己的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，減輕了微處理器運(yùn)行SAR轉(zhuǎn)換時(shí)鐘的負(fù)擔(dān)，允許以高達(dá)8MHz的任何時(shí)鐘速率方便地讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)SSTRB變低，轉(zhuǎn)換完成時(shí)變高。SSTRB最多低電平6μs，在此期間SCLK應(yīng)保持低電平以獲得最佳噪聲性能。轉(zhuǎn)換進(jìn)行時(shí)，內(nèi)部寄存器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換完成后，SCLK可將數(shù)據(jù)從內(nèi)部存儲(chǔ)寄存器時(shí)鐘輸出。

輸出數(shù)據(jù)格式

單極性轉(zhuǎn)換的輸出數(shù)據(jù)格式為直二進(jìn)制，雙極性模式為補(bǔ)碼格式。兩種模式下，MSB首先從MAX1142/MAX1143移出。

六、應(yīng)用信息

上電復(fù)位

上電或RST脈沖低電平時(shí)，內(nèi)部校準(zhǔn)寄存器設(shè)置為默認(rèn)值，用戶(hù)可編程寄存器（P0、P1和P2）為低電平，設(shè)備配置為雙極性模式和內(nèi)部時(shí)鐘。

校準(zhǔn)

為了補(bǔ)償溫度漂移和其他變化，應(yīng)定期對(duì)MAX1142/MAX1143進(jìn)行校準(zhǔn)。環(huán)境溫度變化超過(guò)10°C、電源電壓變化100mV或參考電壓變化時(shí)，應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)可以校正增益、偏移、積分非線(xiàn)性和差分非線(xiàn)性誤差。通過(guò)在控制字節(jié)中設(shè)置M1 = 0和M0 = 1啟動(dòng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)應(yīng)在與轉(zhuǎn)換相同的時(shí)鐘模式下進(jìn)行。

參考

MAX1142/MAX1143可以使用內(nèi)部或外部參考。內(nèi)部參考模式下，需在REFADJ和AGND之間放置0.22μF陶瓷電容，在REF和AGND之間放置2.2μF電容，并可通過(guò)在REFADJ處吸收或提供電流進(jìn)行微調(diào)。外部參考可以連接到REF或REFADJ引腳，使用REFADJ輸入時(shí)，外部參考無(wú)需緩沖；連接到REF時(shí)，REFADJ必須連接到AVDD，且REF處的外部參考在轉(zhuǎn)換期間必須提供250μA直流負(fù)載電流，輸出阻抗應(yīng)小于10Ω。

模擬輸入

MAX1142/MAX1143使用電容DAC提供固有的跟蹤/保持功能，AIN應(yīng)使用源阻抗小于10Ω的信號(hào)驅(qū)動(dòng)，信號(hào)調(diào)理電路必須在小于500ns內(nèi)以16位精度穩(wěn)定。輸入帶寬應(yīng)限制在采樣頻率的一半以下，以消除混疊。

輸入范圍

單極性模式下，MAX1142的模擬輸入范圍為0至+12V，MAX1143為0至+4.096V；雙極性模式下，MAX1142為 -12V至+12V，MAX1143為 -4.096V至+4.096V。單極性和雙極性模式通過(guò)控制字節(jié)的UNI/BIP位編程。使用非內(nèi)部+4.096V參考時(shí)，滿(mǎn)量程輸入范圍將相應(yīng)變化。

輸入采集和穩(wěn)定

時(shí)鐘輸入控制字節(jié)啟動(dòng)輸入采集。雙極性模式下，主電容陣列在識(shí)別起始位后立即