MAX11208：20位單通道超低功耗Delta - Sigma ADC的技術(shù)解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，對于高精度、低功耗的模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的需求日益增長。今天我們要深入探討的MAX11208，就是一款滿足這些需求的優(yōu)秀產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品概述

MAX11208是一款超低功耗（有源電流 < 300μA）、高分辨率的串行輸出ADC。它在單位功率下提供了業(yè)界最高的分辨率，非常適合那些需要高動態(tài)范圍且低功耗的應(yīng)用，比如4mA - 20mA工業(yè)控制回路上的傳感器。該芯片工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，采用節(jié)省空間的10引腳μMAX封裝，并提供簡單的2線串行接口。

二、關(guān)鍵特性

高分辨率

• 20位滿量程分辨率：在不同采樣率下展現(xiàn)出出色的性能。在13.75sps時(shí)，MAX11208B可實(shí)現(xiàn)20位無噪聲分辨率；在120sps時(shí)，MAX11208A能達(dá)到19位無噪聲分辨率。
• 低噪聲：MAX11208B的噪聲僅為720nVRMS，這使得它在高精度測量中表現(xiàn)優(yōu)異。
• 高精度：積分非線性（INL）為3ppm，且無丟失碼，保證了測量的準(zhǔn)確性。

超低功耗

• 工作模式電流：最大電流消耗 < 300μA，而睡眠模式電流消耗 < 0.1μA，大大降低了功耗，適合電池供電的應(yīng)用。
• 寬電壓范圍：模擬電源電壓范圍為2.7V - 3.6V，數(shù)字和I/O電源電壓范圍為1.7V - 3.6V，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。

其他特性

• 全差分信號輸入和參考輸入：提高了抗干擾能力，增強(qiáng)了測量的穩(wěn)定性。
• 內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘：MAX11208A為2.4576MHz，MAX11208B為2.2528MHz，也支持外部時(shí)鐘輸入。
• 2線串行接口：方便與其他設(shè)備進(jìn)行通信，簡化了電路設(shè)計(jì)。
• 按需偏移和增益自校準(zhǔn)：確保測量的準(zhǔn)確性，減少誤差。
• ESD保護(hù)：±2kV的ESD保護(hù)，提高了芯片的可靠性。
• 環(huán)保封裝：采用無鉛（Pb）且符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的μMAX封裝。

三、電氣特性

ADC性能

• 無噪聲分辨率：MAX11208A為19位，MAX11208B為20位。
• 熱噪聲：MAX11208A為2.1μVRMS，MAX11208B為0.72μVRMS。
• 積分非線性：在 - 10ppmFSR至 + 10ppmFSR之間。
• 零誤差：校準(zhǔn)后在 - 13ppmFSR至 + 13ppmFSR之間。
• 零漂移：典型值為50nV/°C。
• 滿量程誤差：校準(zhǔn)后在 - 30ppmFSR至 + 30ppmFSR之間。
• 滿量程誤差漂移：典型值為0.05ppmFSR/°C。
• 電源抑制比：AVDD直流抑制為70 - 80dB，DVDD直流抑制為90 - 100dB。

模擬輸入和參考輸入

• 共模抑制：直流抑制為90 - 123dB，對50Hz/60Hz的抑制能力也很強(qiáng)。
• 正常模式50Hz/60Hz抑制：MAX11208B在50Hz時(shí)為65 - 80.5dB，60Hz時(shí)為73 - 87dB。
• 共模電壓范圍：在GND至AVDD之間。
• 絕對輸入電壓：低輸入電壓為GND - 30mV，高輸入電壓為AVDD + 30mV。
• 直流輸入泄漏：睡眠模式下為±1μA。
• AIN動態(tài)輸入電流：典型值為5μA。

邏輯輸入和輸出

• 輸入電流：輸入泄漏電流為±1μA。
• 輸入低電壓：VIL為0.3 x VDVDD。
• 輸入高電壓：VIH為0.7 x VDVDD。
• 輸入滯后：VHYS為200mV。
• 外部時(shí)鐘：MAX11208A為2.4576MHz，MAX11208B為2.2528MHz。
• 輸出低電平：IOL = 1mA時(shí)，VOL為0.4V。
• 輸出高電平：IOH = 1mA時(shí)，VOH為0.9 x VDVDD。
• 浮動狀態(tài)泄漏電流：輸出泄漏電流為±10μA。
• 浮動狀態(tài)輸出電容：為9pF。

電源要求

• 模擬電源電壓：AVDD為2.7 - 3.6V。
• 數(shù)字電源電壓：DVDD為1.7 - 3.6V。
• 總工作電流：AVDD + DVDD為230 - 300μA。
• DVDD工作電流：為45 - 60μA。
• AVDD工作電流：為185 - 245μA。
• AVDD睡眠電流：為0.4 - 2μA。
• DVDD睡眠電流：為0.35 - 2μA。

2線串行接口時(shí)序特性

• SCLK頻率：最大為5MHz。
• SCLK脈沖寬度低：在5MHz時(shí)鐘下，占空比為60/40時(shí)為80ns。
• SCLK脈沖寬度高：在5MHz時(shí)鐘下，占空比為40/60時(shí)為80ns。
• SCLK上升沿到數(shù)據(jù)有效轉(zhuǎn)換時(shí)間：為40ns。
• SCLK上升沿?cái)?shù)據(jù)保持時(shí)間：為3ns。
• RDY/DOUT下降到SCLK上升沿時(shí)間：為0ns。
• 下一次數(shù)據(jù)更新時(shí)間（無讀取允許）：MAX11208A為155μs，MAX11208B為169μs。
• 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間：MAX11208A為8.6 - 73ms，MAX11208B為208.3 - 256.1ms。
• 校準(zhǔn)開始后數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)間（CAL + CNV）：MAX11208A為208.4ms，MAX11208B為256.2ms。
• RDY/DOUT變低后SCLK高電平激活睡眠模式時(shí)間：MAX11208A為0 - 8.6ms，MAX11208B為0 - 73ms。
• 從睡眠模式喚醒后數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)間：MAX11208A為8.6 - 73ms，MAX11208B為8.6 - 73ms。

四、典型工作特性

通過一系列圖表展示了MAX11208在不同電壓和溫度條件下的工作特性，包括模擬有源電流、模擬睡眠電流、數(shù)字有源電流、數(shù)字睡眠電流、內(nèi)部振蕩器頻率、偏移誤差、滿量程誤差、積分非線性、電源抑制比、共模抑制比、正常模式頻率響應(yīng)等。這些特性有助于工程師在不同的應(yīng)用場景中更好地使用該芯片。

五、引腳配置和功能

MAX11208采用10引腳μMAX封裝，各引腳功能如下：

• GND：接地，為模擬和數(shù)字電路提供接地參考。
• REFP：差分參考正輸入，連接到AVDD和GND之間的電壓，且必須比REFN更正。
• REFN：差分參考負(fù)輸入，連接到AVDD和GND之間的電壓，且必須比REFP更負(fù)。
• AINN：負(fù)全差分模擬輸入。
• AINP：正全差分模擬輸入。
• AVDD：模擬電源電壓，連接 + 2.7V至 + 3.6V的電源。
• DVDD：數(shù)字電源電壓，連接 + 1.7V至 + 3.6V的數(shù)字電源。
• RDY/DOUT：數(shù)據(jù)就緒輸出/串行數(shù)據(jù)輸出，具有雙重功能，在數(shù)據(jù)就緒時(shí)RDY為低電平，數(shù)據(jù)在SCLK下降沿改變。
• SCLK：串行時(shí)鐘輸入，用于提供外部串行時(shí)鐘。
• CLK：外部時(shí)鐘信號輸入，當(dāng)由外部時(shí)鐘驅(qū)動時(shí)，內(nèi)部時(shí)鐘關(guān)閉。

六、詳細(xì)工作原理

上電復(fù)位（POR）

MAX11208在數(shù)字電源（DVDD）和模擬電源（AVDD）上都采用了上電復(fù)位（POR）電路。數(shù)字POR觸發(fā)閾值約為1.2V，具有100mV的滯后；模擬POR觸發(fā)閾值約為1.25V，也具有100mV的滯后。當(dāng)數(shù)字POR觸發(fā)時(shí)，芯片會進(jìn)行自校準(zhǔn)操作，為了確保校準(zhǔn)準(zhǔn)確，REFP和REFN引腳需要有穩(wěn)定的參考電壓。

模擬輸入

芯片接受兩個(gè)模擬輸入（AINP和AINN），調(diào)制器輸入范圍為雙極性（ - VREF至 + VREF）。

內(nèi)部振蕩器

MAX11208內(nèi)置了高度穩(wěn)定的內(nèi)部振蕩器，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘。系統(tǒng)時(shí)鐘運(yùn)行內(nèi)部狀態(tài)機(jī)，MAX11208A的時(shí)鐘頻率為2.4576MHz，MAX11208B為2.2528MHz。內(nèi)部振蕩器時(shí)鐘會被分頻以驅(qū)動數(shù)字和模擬時(shí)序。

參考

芯片提供差分輸入REFP和REFN，用于連接外部參考電壓。VREFp和VREFN的共模電壓范圍在0至VAVDD之間，REFP和REFN的差分電壓范圍為1V至VAVDD。

數(shù)字濾波器

芯片包含一個(gè)片上數(shù)字低通濾波器，采用SINC4 - (sin x / x)?響應(yīng)處理來自調(diào)制器的1位數(shù)據(jù)流。在單周期轉(zhuǎn)換模式下，轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時(shí)濾波器會復(fù)位；在連續(xù)轉(zhuǎn)換潛伏模式下，濾波器不會復(fù)位。SINC4濾波器的 - 3dB頻率等于數(shù)據(jù)速率的24%。

串行數(shù)字接口

MAX11208通過2線串行接口進(jìn)行通信，具有時(shí)鐘輸入和數(shù)據(jù)輸出。輸出速率根據(jù)封裝選項(xiàng)預(yù)先確定，MAX11208A為120sps，MAX11208B為13.75sps。

2線接口操作模式

• 每次轉(zhuǎn)換后讀取數(shù)據(jù)：RDY/DOUT用于指示數(shù)據(jù)就緒并輸出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以二進(jìn)制補(bǔ)碼格式、MSB優(yōu)先的方式輸出。讀取20位數(shù)據(jù)后，提供第25個(gè)SCLK脈沖可使RDY/DOUT恢復(fù)到空閑高電平狀態(tài)。
• 讀取數(shù)據(jù)后進(jìn)行自校準(zhǔn)：讀取24位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后，提供第25個(gè)SCLK脈沖使RDY/DOUT變高，再提供第26個(gè)SCLK脈沖可啟動自校準(zhǔn)程序。
• 讀取數(shù)據(jù)后進(jìn)入睡眠模式：在RDY/DOUT變低后，將SCLK置為高電平可使芯片進(jìn)入睡眠模式。退出睡眠模式時(shí)，將SCLK置為低電平，芯片重新開始轉(zhuǎn)換。
• 單轉(zhuǎn)換模式：在轉(zhuǎn)換之間激活和停用睡眠模式，可降低功耗。
• 喚醒時(shí)自校準(zhǔn)的單轉(zhuǎn)換模式：睡眠模式結(jié)束后，所有數(shù)據(jù)位移出并提供第25個(gè)SCLK脈沖使RDY/DOUT變高，第26個(gè)SCLK保持高電平直到需要喚醒芯片。喚醒后芯片自動進(jìn)行自校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)RDY/DOUT變低。

七、應(yīng)用信息

文檔中給出了RTD溫度測量電路和電阻橋測量電路的示例，展示了MAX11208在實(shí)際應(yīng)用中的使用方法。

八、總結(jié)

MAX11208以其高分辨率、超低功耗、寬電壓范圍、豐富的功能和靈活的接口，為電子工程師在傳感器測量、便攜式儀器、電池應(yīng)用和稱重秤等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理配置芯片的參數(shù)和工作模式，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。大家在使用MAX11208的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題或者有獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評論區(qū)分享交流。