MAX1227/MAX1229/MAX1231：12位300ksps ADC的技術(shù)剖析與應(yīng)用指南

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公司的MAX1227/MAX1229/MAX1231這三款12位300ksps ADC，了解它們的特性、工作原理以及應(yīng)用場景。

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一、產(chǎn)品概述

MAX1227/MAX1229/MAX1231是具有內(nèi)部參考和內(nèi)部溫度傳感器的串行12位ADC。它們具備片上FIFO、掃描模式、內(nèi)部時鐘模式、內(nèi)部平均以及AutoShutdown?等特性，最大采樣率可達(dá)300ksps（使用外部時鐘）。這三款器件的輸入通道數(shù)量有所不同，MAX1231有16個輸入通道，MAX1229有12個輸入通道，MAX1227有8個輸入通道，且所有輸入通道可配置為單端或差分輸入，支持單極性或雙極性模式。它們均采用+3V電源供電，并包含一個10MHz SPI? - /QSPI? - /MICROWIRE?兼容的串行端口。

二、產(chǎn)品特性亮點

2.1 溫度傳感器

內(nèi)部溫度傳感器的精度可達(dá)±0.7°C，能夠準(zhǔn)確測量環(huán)境溫度，為溫度控制和監(jiān)測應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)。

2.2 FIFO緩沖器

擁有16項先進(jìn)先出（FIFO）緩沖器，可容納多達(dá)16個ADC結(jié)果和一個溫度結(jié)果，允許ADC處理多個內(nèi)部時鐘轉(zhuǎn)換和溫度測量，而無需占用串行總線。

2.3 模擬多路復(fù)用器

具備真正的差分模擬多路復(fù)用器和跟蹤/保持功能，支持16、12、8通道單端輸入以及8、6、4通道真正差分輸入（單極性或雙極性），提供了靈活的輸入配置選項。

2.4 高精度

具有±1 LSB的積分非線性（INL）和差分非線性（DNL），無丟失碼，確保了高精度的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2.5 低功耗

采用單+3V電源供電，在300ksps采樣率下電流僅為1mA，適合低功耗應(yīng)用場景。

2.6 內(nèi)部參考

提供內(nèi)部2.5V參考或外部差分參考選項，滿足不同應(yīng)用的需求。

2.7 高速接口

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

三、電氣特性詳解

3.1 直流精度

分辨率為12位，INL和DNL誤差均為±1.0 LSB，偏移誤差和增益誤差在±0.5 - ±4.0 LSB之間，偏移誤差溫度系數(shù)為±2 ppm/°C FSR，增益溫度系數(shù)為±0.8 ppm/°C，通道間偏移匹配為±0.1 LSB。

3.2 動態(tài)特性

在30kHz正弦波輸入、2.5V P - P、300ksps采樣率和4.8MHz時鐘頻率下，信號 - 噪聲加失真比（SINAD）為71dB，總諧波失真（THD）為 - 80dBc，無雜散動態(tài)范圍（SFDR）為81dBc，互調(diào)失真（IMD）為76dBc，全功率帶寬為1MHz，全線性帶寬為100kHz。

3.3 轉(zhuǎn)換速率

上電時間根據(jù)參考類型不同而有所差異，外部參考為0.8μs，內(nèi)部參考為65μs。采集時間為0.6μs，轉(zhuǎn)換時間在內(nèi)部時鐘模式下為3.5μs，外部時鐘模式下為2.7μs。外部時鐘頻率范圍為0.1 - 4.8MHz，數(shù)據(jù)I/O時鐘頻率可達(dá)10MHz。

3.4 模擬輸入

輸入電壓范圍在單極性模式下為0 - VREF/2到VREF，雙極性模式下為±VREF/2。輸入泄漏電流為±0.01 - ±1μA，輸入電容在采集時間內(nèi)為24pF。

3.5 內(nèi)部溫度傳感器

測量誤差在TA = +25°C時為±0.7°C，在TA = TMIN到TMAX時為±1.2 - ±2.5°C，溫度測量噪聲為0.4°C RMS，溫度分辨率為1/8°C，電源抑制比為0.3°C/V。

3.6 內(nèi)部參考

參考輸出電壓為2.48 - 2.52V，參考溫度系數(shù)為±30 ppm/°C，輸出電阻為6.5kΩ，參考輸出噪聲為200μV RMS，參考電源抑制比為 - 70dB。

3.7 外部參考輸入

REF - 輸入電壓范圍為0 - 500mV，REF + 輸入電壓范圍為1.0 - VDD + 50mV，REF + 輸入電流在VREF + = 2.5V、fSAMPLE = 300ksps時為40 - 100μA，在VREF + = 2.5V、fSAMPLE = 0時為±0.1 - ±5μA。

3.8 數(shù)字輸入輸出

數(shù)字輸入的低電平電壓為VDD x 0.3V，高電平電壓為VDD x 0.7V，輸入滯后為200mV，輸入泄漏電流為±0.01 - ±1.0μA，輸入電容為15pF。數(shù)字輸出的低電平電壓在不同負(fù)載電流下為0.4 - 0.8V，高電平電壓為VDD - 0.5V，三態(tài)泄漏電流為±0.05 - ±1μA，三態(tài)輸出電容為15pF。

3.9 電源要求

電源電壓范圍為2.7 - 3.6V，電源電流根據(jù)不同工作模式和參考類型有所不同，在溫度傳感時為2400 - 2700μA，采樣率為300ksps時為1750 - 2000μA，關(guān)機(jī)時為0.2 - 5μA。電源抑制比為±0.2 - ±1mV。

四、工作原理與操作模式

4.1 轉(zhuǎn)換器操作

采用全差分逐次逼近寄存器（SAR）轉(zhuǎn)換技術(shù)和片上跟蹤/保持（T/H）模塊，將溫度和電壓信號轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字結(jié)果。支持單端和差分配置，單端模式下為單極性信號范圍，差分模式下為雙極性或單極性范圍。

4.2 輸入帶寬

ADC的輸入跟蹤電路具有1MHz小信號帶寬，可通過欠采樣技術(shù)數(shù)字化高速瞬態(tài)事件并測量帶寬超過采樣率的周期性信號。但為避免高頻信號混疊，需要對輸入信號進(jìn)行抗混疊預(yù)濾波。

4.3 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(GND - 0.3V)到(VDD + 0.3V)范圍內(nèi)擺動而不損壞。但為實現(xiàn)滿量程附近的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，輸入不得超過VDD 50mV或低于GND 50mV。若非通道模擬輸入電壓超過電源，需將輸入電流限制在2mA。

4.4 3線串行接口

支持SPI/QSPI和MICROWIRE設(shè)備的串行接口。對于SPI/QSPI，CPU串行接口需運行在主模式以生成串行時鐘信號。SCLK頻率應(yīng)選擇10MHz或更低，并將時鐘極性（CPOL）和相位（CPHA）設(shè)置為相同值。器件可在SCLK空閑高或低狀態(tài)下工作，即CPOL = CPHA = 0或CPOL = CPHA = 1。通過將CS置低，在SCLK上升沿鎖存DIN輸入數(shù)據(jù)，在SCLK下降沿更新DOUT輸出數(shù)據(jù)。雙極性真正差分結(jié)果和溫度傳感器結(jié)果以二進(jìn)制補碼格式輸出，其他則為二進(jìn)制格式。

4.5 單端/差分輸入

通過寫入設(shè)置寄存器，可將模擬輸入配置為差分或單端轉(zhuǎn)換。單端轉(zhuǎn)換內(nèi)部參考為GND，差分模式下T/H采樣兩個模擬輸入之間的差值，消除共模直流偏移和噪聲。

4.6 單極性/雙極性模式

通過設(shè)置寄存器的最后2位（LSBs）控制單極性/雙極性模式地址寄存器。設(shè)置為10時寫入單極性模式寄存器，設(shè)置為11時寫入雙極性模式寄存器。單極性模式下差分輸入范圍為0到VREF，負(fù)差分模擬輸入導(dǎo)致數(shù)字輸出代碼為零；雙極性模式下差分輸入范圍為±VREF/2，數(shù)字輸出代碼在單極性模式下為二進(jìn)制，在雙極性模式下為二進(jìn)制補碼。

4.7 內(nèi)部FIFO

內(nèi)部FIFO可容納多達(dá)16個ADC結(jié)果和一個溫度結(jié)果。若FIFO已滿且在未讀取數(shù)據(jù)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。每個結(jié)果包含2字節(jié)，MSB前有四個前導(dǎo)零。每次CS下降沿后，最舊的可用數(shù)據(jù)字節(jié)以MSB優(yōu)先的方式在DOUT輸出。FIFO為空時，DOUT為零。

4.8 內(nèi)部時鐘

器件由內(nèi)部振蕩器驅(qū)動，其精度在4.4MHz標(biāo)稱時鐘速率的10%以內(nèi)。內(nèi)部振蕩器在時鐘模式00、01和10下激活，數(shù)據(jù)讀取時鐘速度可達(dá)10MHz。

五、應(yīng)用信息

5.1 寄存器描述

通過SPI - /QSPI兼容的串行接口，MAX1227/MAX1229/MAX1231可在內(nèi)部寄存器和外部電路之間進(jìn)行通信。主要寄存器包括轉(zhuǎn)換寄存器、設(shè)置寄存器、平均寄存器、復(fù)位寄存器、單極性寄存器和雙極性寄存器，每個寄存器的位功能和配置方式在文檔中有詳細(xì)說明。

5.2 轉(zhuǎn)換時間計算

轉(zhuǎn)換時間取決于多個因素，如每個樣本的轉(zhuǎn)換時間、每個結(jié)果的樣本數(shù)、每次掃描的結(jié)果數(shù)、是否請求溫度測量以及是否使用外部參考。對于內(nèi)部時鐘模式00和10，可使用公式“total conversion time = tcnv × navg × nresult + tTS + tRP”計算總轉(zhuǎn)換時間；在時鐘模式01下，總轉(zhuǎn)換時間取決于CNVST的高低電平持續(xù)時間；在外部時鐘模式（CKSEL1, CKSEL0 = 11）下，轉(zhuǎn)換時間取決于SCLK周期和CS在每組八個SCLK周期之間的高電平持續(xù)時間。

5.3 溫度測量

通過內(nèi)部二極管連接的晶體管進(jìn)行溫度測量。二極管偏置電流從68μA變?yōu)?μA，產(chǎn)生與溫度相關(guān)的偏置電壓差。通過減去兩次轉(zhuǎn)換結(jié)果計算與絕對溫度成比例的數(shù)字值，輸出數(shù)據(jù)為該數(shù)字代碼減去一個偏移量以將溫度從開爾文轉(zhuǎn)換為攝氏度。

5.4 輸出數(shù)據(jù)格式

12位轉(zhuǎn)換結(jié)果以MSB優(yōu)先的格式輸出，前有四個前導(dǎo)零。DIN數(shù)據(jù)在SCLK上升沿鎖存到串行接口，DOUT數(shù)據(jù)在SCLK下降沿轉(zhuǎn)換。時鐘模式00和01的轉(zhuǎn)換由CNVST啟動，時鐘模式10和11的轉(zhuǎn)換通過向轉(zhuǎn)換寄存器寫入輸入數(shù)據(jù)字節(jié)啟動。單極性模式下數(shù)據(jù)為二進(jìn)制，雙極性模式下為二進(jìn)制補碼。

六、布局、接地和旁路建議

為獲得最佳性能，建議使用PC板，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（特別是時鐘）信號相互平行或數(shù)字線在MAX1227/MAX1229/MAX1231封裝下方走線。VDD電源中的高頻噪聲會影響性能，應(yīng)在VDD引腳附近使用0.1μF電容旁路到GND，并盡量減小電容引線長度以提高電源噪聲抑制能力。若電源噪聲較大，可在電源中串聯(lián)一個10Ω電阻以改善電源濾波。對于TQFN封裝，應(yīng)將其暴露焊盤連接到地。

七、總結(jié)

MAX1227/MAX1229/MAX1231是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的12位300ksps ADC，具有高精度、低功耗、靈活的輸入配置和豐富的功能特性。在系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制、患者監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄和儀器儀表等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。電子工程師在設(shè)計相關(guān)系統(tǒng)時，可以充分利用這些特性，實現(xiàn)高效、可靠的模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換。大家在實際應(yīng)用中是否遇到過類似ADC的使用問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。