探索MAX11638/MAX11639/MAX11642/MAX11643：8位、16/8通道、300ksps ADCs的卓越性能

在電子設(shè)計領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接現(xiàn)實世界模擬信號與數(shù)字系統(tǒng)的關(guān)鍵橋梁。今天，我們將深入探討Maxim推出的MAX11638/MAX11639/MAX11642/MAX11643系列8位、16/8通道、300ksps ADCs，了解它們的特性、應(yīng)用以及如何在實際設(shè)計中發(fā)揮優(yōu)勢。

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一、產(chǎn)品概述

MAX11638/MAX11639/MAX11642/MAX11643是具有內(nèi)部參考的串行8位ADC，具備片上FIFO、掃描模式、內(nèi)部時鐘模式、內(nèi)部平均和AutoShutdown?等特性。該系列ADC的最大采樣率可達(dá)300ksps（使用外部時鐘），其中MAX11642/MAX11643擁有16個輸入通道，而MAX11638/MAX11639則有8個輸入通道。它們可在+3V或+5V電源下工作，并配備10MHz SPI - /QSPI? - /MICROWIRE?兼容的串行端口。

1. 封裝形式

• MAX11638/MAX11639采用16引腳QSOP封裝。
• MAX11642/MAX11643采用24引腳QSOP封裝。

2. 工作溫度范圍

所有四款器件均在-40°C至+85°C的擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)工作。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

這些ADC適用于多種應(yīng)用場景，包括但不限于：

• 系統(tǒng)監(jiān)控：實時監(jiān)測系統(tǒng)中的各種模擬信號，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
• 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：高效采集各種模擬數(shù)據(jù)，為后續(xù)分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。
• 工業(yè)控制系統(tǒng)：在工業(yè)自動化中，精確轉(zhuǎn)換模擬信號，實現(xiàn)對工業(yè)過程的精確控制。
• 患者監(jiān)測：在醫(yī)療設(shè)備中，對患者的生理信號進(jìn)行準(zhǔn)確采集和處理。
• 數(shù)據(jù)記錄：記錄各種模擬信號的變化，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。
• 儀器儀表：用于各種儀器的信號轉(zhuǎn)換和處理，提高儀器的精度和可靠性。

三、產(chǎn)品特性

1. 模擬多路復(fù)用器與跟蹤保持（T/H）

• MAX11642/MAX11643具有16個通道。
• MAX11638/MAX11639具有8個通道。

2. 單電源供電

• MAX11639/MAX11643的供電范圍為2.7V至3.6V。
• MAX11638/MAX11642的供電范圍為4.75V至5.25V。

3. 內(nèi)部參考

• MAX11639/MAX11643的內(nèi)部參考電壓為2.5V。
• MAX11638/MAX11642的內(nèi)部參考電壓為4.096V。 同時，也支持1V至VDD的外部參考電壓。

4. 16項先進(jìn)先出（FIFO）

FIFO緩沖器可容納多達(dá)16個ADC結(jié)果，允許ADC處理多個內(nèi)部時鐘轉(zhuǎn)換，而無需占用串行總線。

5. 掃描模式、內(nèi)部平均和內(nèi)部時鐘

支持多種工作模式，可根據(jù)實際需求靈活配置。

6. 高精度

精度方面表現(xiàn)出色，具有±1 LSB的積分非線性（INL）和±1 LSB的微分非線性（DNL），且在整個溫度范圍內(nèi)無丟失碼。

7. 高速接口

具備10MHz的3線SPI - /QSPI - /MICROWIRE兼容接口，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

8. 小型封裝

采用小型的QSOP封裝，節(jié)省電路板空間。

四、電氣特性

1. 直流精度

• 分辨率：8位。
• 積分非線性（INL）：±0.5 LSB。
• 微分非線性（DNL）：±0.5 LSB，無丟失碼。
• 偏移誤差：±0.5至±1 LSB。
• 增益誤差：±0.5至±1 LSB。
• 偏移誤差溫度系數(shù)：±2 ppm/°C FSR。
• 增益溫度系數(shù)：±0.8 ppm/°C。
• 通道間偏移匹配：±0.1 LSB。

2. 動態(tài)特性

• 信噪失真比（SINAD）：49 dB。
• 總諧波失真（THD）：-70 dBc（高達(dá)5次諧波）。
• 無雜散動態(tài)范圍（SFDR）：-72 dBc。
• 互調(diào)失真（IMD）：-67 dBc（fIN1 = 29.9kHz，fIN2 = 30.1kHz）。
• 滿功率帶寬：1 MHz。
• 全線性帶寬：100 kHz。

3. 轉(zhuǎn)換速率

• 上電時間：外部參考時為0.8 s，內(nèi)部參考時為65 s。
• 采集時間：0.6 μs。
• 轉(zhuǎn)換時間：內(nèi)部時鐘時為3.5 μs，外部時鐘時為2.7 μs。
• 外部時鐘頻率：0.1至4.8 MHz。

4. 模擬輸入

• 輸入電壓范圍：單極性，0至VREF。
• 輸入泄漏電流：±0.01至±1 μA。
• 輸入電容：采集期間為24 pF。

5. 內(nèi)部參考

• 參考輸出電壓：MAX11638/MAX11642為4.024至4.168 V，MAX11639/MAX11643為2.48至2.52 V。
• 參考溫度系數(shù)：MAX11638/MAX11642為±20 ppm/°C，MAX11639/MAX11643為+30 ppm/°C。
• 輸出電阻：6.5 kΩ。
• 參考輸出噪聲：200 μVRMS。
• 參考電源抑制比（PSRR）：-70 dB。

6. 外部參考

• 參考輸入電壓范圍：1.0至Vpp + 50mV。
• 參考輸入電流：40至100 μA。

7. 數(shù)字輸入輸出

• 數(shù)字輸入：不同型號的輸入電壓低（VIL）和高（VIH）有所不同，輸入滯后為200 mV，輸入泄漏電流為±0.01至±1.0 μA，輸入電容為15 pF。
• 數(shù)字輸出：輸出電壓低（VOL）在不同負(fù)載電流下有所不同，輸出電壓高（VOH）為VDD - 0.5 V，三態(tài)泄漏電流為±0.05至±1 μA，三態(tài)輸出電容為15 pF。

8. 電源要求

• 電源電壓：MAX11638/MAX11642為4.75至5.25 V，MAX11639/MAX11643為2.7至3.6 V。
• 電源電流：不同工作模式和采樣率下的電源電流有所不同，關(guān)機電流為0.2至5 μA。
• 電源抑制比（PSR）：±0.2至±1.4 mV。

五、引腳描述

六、工作原理

1. 轉(zhuǎn)換器操作

采用逐次逼近寄存器（SAR）轉(zhuǎn)換技術(shù)和片上T/H模塊，將電壓信號轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字結(jié)果，支持單端信號范圍。

2. 輸入帶寬

輸入跟蹤電路具有1MHz的小信號帶寬，可使用欠采樣技術(shù)數(shù)字化高速瞬態(tài)事件和測量帶寬超過ADC采樣率的周期性信號。但需要對輸入信號進(jìn)行抗混疊預(yù)濾波，以避免高頻信號混疊到感興趣的頻帶中。

3. 模擬輸入保護(hù)

內(nèi)部ESD保護(hù)二極管將所有引腳鉗位到VDD和GND，允許輸入在(VGND - 0.3V)至(VDD + 0.3V)范圍內(nèi)擺動而不損壞。但為了在滿量程附近進(jìn)行準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，輸入不得超過VDD 50mV或低于GND 50mV。如果非通道模擬輸入電壓超過電源，需將輸入電流限制在2mA。

4. 3線串行接口

與SPI/QSPI和MICROWIRE設(shè)備兼容，支持SPI/QSPI的主模式。SCLK頻率可選擇10MHz或更低，并設(shè)置時鐘極性（CPOL）和相位（CPHA）。該系列ADC可在SCLK空閑高或低的情況下工作，即CPOL = CPHA = 0或CPOL = CPHA = 1。通過設(shè)置CS低電平，在SCLK的上升沿鎖存DIN的輸入數(shù)據(jù)，DOUT的輸出數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿更新，結(jié)果以二進(jìn)制格式輸出。

5. 單端輸入

可通過寫入設(shè)置寄存器來配置單端模擬輸入轉(zhuǎn)換模式，單端轉(zhuǎn)換內(nèi)部參考GND。

6. 真差分模擬輸入T/H

在跟蹤模式下，正輸入電容連接到AIN0 - AIN15，負(fù)輸入電容連接到GND。使用時鐘模式01進(jìn)行外部T/H定時，T/H進(jìn)入保持模式后，轉(zhuǎn)換采樣的正、負(fù)輸入電壓之差。采集時間tACQ由輸入電容充電速度決定，計算公式為： [t{ACQ}=9 timesleft(RS{S}+R{IN}right) × 24 pF+t{P W R}] 其中(R_{IN}=1.5 k Omega)，RS是輸入信號的源阻抗，(tPWR =1 mu s)。當(dāng)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部定時時，tACQ從不小于1.4μs，源阻抗低于300Ω不會顯著影響ADC的AC性能。對于高阻抗源，可以通過延長tACQ或在正、負(fù)模擬輸入之間放置1μF電容來解決。

7. 內(nèi)部FIFO

包含一個可容納多達(dá)16個ADC結(jié)果的FIFO緩沖器，允許ADC處理多個內(nèi)部時鐘轉(zhuǎn)換，而無需占用串行總線。如果FIFO已滿且在未讀取FIFO的情況下請求進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，最舊的ADC結(jié)果將被新結(jié)果覆蓋。

8. 內(nèi)部時鐘

基于內(nèi)部振蕩器工作，該振蕩器在4.4MHz標(biāo)稱時鐘速率的10%范圍內(nèi)準(zhǔn)確。內(nèi)部振蕩器在時鐘模式00、01和10中處于活動狀態(tài)，可在高達(dá)10MHz的時鐘速度下讀取數(shù)據(jù)。

七、應(yīng)用信息

1. 寄存器描述

通過SPI - /QSPI兼容的串行接口在內(nèi)部寄存器和外部電路之間進(jìn)行通信，包括轉(zhuǎn)換寄存器、設(shè)置寄存器、平均寄存器和復(fù)位寄存器。

• 轉(zhuǎn)換寄存器：用于選擇每次掃描的活動模擬輸入通道和掃描模式。
• 設(shè)置寄存器：用于配置時鐘、參考和掉電模式。
• 平均寄存器：用于配置ADC對每個請求結(jié)果最多平均32個樣本，并獨立控制單通道掃描請求的結(jié)果數(shù)量。
• 復(fù)位寄存器：用于清除FIFO或?qū)⑺屑拇嫫髦刂脼槟J(rèn)狀態(tài)。

2. 轉(zhuǎn)換時間計算

轉(zhuǎn)換時間取決于多個因素，包括每個樣本的轉(zhuǎn)換時間、每個結(jié)果的樣本數(shù)、每次掃描的結(jié)果數(shù)以及是否使用外部參考。不同時鐘模式下，轉(zhuǎn)換時間的計算方法有所不同。

3. 不同時鐘模式下的轉(zhuǎn)換操作

• 時鐘模式00：通過CNVST啟動喚醒、采集、轉(zhuǎn)換和關(guān)機序列，使用內(nèi)部振蕩器自動執(zhí)行。結(jié)果添加到內(nèi)部FIFO中，待后續(xù)讀取。
• 時鐘模式01：使用CNVST一次請求一個轉(zhuǎn)換，使用內(nèi)部振蕩器自動執(zhí)行。設(shè)置CNVST低電平開始采集，高電平開始轉(zhuǎn)換。如果啟用平均功能，需要執(zhí)行多個CNVST脈沖才能將結(jié)果寫入FIFO。
• 時鐘模式10：通過向轉(zhuǎn)換寄存器寫入輸入數(shù)據(jù)字節(jié)啟動喚醒、采集、轉(zhuǎn)換和關(guān)機序列，使用內(nèi)部振蕩器自動執(zhí)行。這是上電后的默認(rèn)時鐘模式。
• 時鐘模式11：通過向轉(zhuǎn)換寄存器寫入數(shù)據(jù)啟動采集和轉(zhuǎn)換，使用SCLK作為轉(zhuǎn)換時鐘，一次執(zhí)行一個轉(zhuǎn)換。掃描和平均功能禁用，轉(zhuǎn)換結(jié)果在轉(zhuǎn)換期間可在DOUT獲取。

4. 部分讀取和部分寫入

如果FIFO中的條目第一個字節(jié)部分讀取，第二個字節(jié)將包含接下來的8位；如果第一個字節(jié)完全讀取，但第二個字節(jié)部分讀取，該條目的其余部分將丟失。內(nèi)部寄存器通過SPI部分寫入時，從MSB開始到部分寫入停止的位置包含新值，未寫入部分包含先前寫入的值。

5. 傳輸函數(shù)

單端輸入的單極性傳輸函數(shù)中，代碼轉(zhuǎn)換發(fā)生在連續(xù)整數(shù)LSB值的中間，輸出編碼為二進(jìn)制，1 LSB = VREF/256。

八、布局、接地和旁路

為了獲得最佳性能，建議使用PCB，避免使用繞線板。電路板布局應(yīng)確保數(shù)字和模擬信號線相互分離，避免模擬和數(shù)字（尤其是時鐘）信號相互平行或數(shù)字線穿過封裝下方。VDD電源中的高頻噪聲會影響性能，因此需要在VDD引腳附近使用0.1μF電容將VDD電源旁路至GND，并盡量減小電容引線長度以獲得最佳電源噪聲抑制效果。如果電源噪聲很大，可以在電源中串聯(lián)一個10Ω電阻以改善電源濾波。

九、總結(jié)

MAX11638/MAX11639/MAX11642/MAX11643系列ADC以其豐富的特性、高精度和良好的性能，為電子工程師在系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制等多個領(lǐng)域的設(shè)計提供了有力的支持。在實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇型號和配置工作模式，同時注意電路板布局和電源處理，以充分發(fā)揮這些ADC的優(yōu)勢。大家在使用這些ADC的過程中，有沒有遇到過什么有趣的問題或者獨特的應(yīng)用案例呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。