MAX1300/MAX1301：8 與 4 通道、±3 x VREF 多量程輸入的 16 位串行 ADC

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接模擬世界與數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們將深入探討 Maxim Integrated 推出的 MAX1300 和 MAX1301 這兩款 16 位串行 ADC，它們?cè)?a href="http://www.makelele.cn/v/tag/204/" target="_blank">工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

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一、產(chǎn)品概述

MAX1300 和 MAX1301 是多量程、低功耗的 16 位逐次逼近型 ADC，采用單 +5V 電源供電，最高吞吐量可達(dá) 115ksps。它們擁有獨(dú)立的數(shù)字電源，能與 2.7V 至 5.25V 的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字接口通信，通過(guò) SPI - /QSPI? - /MICROWIRE? 兼容的串行接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

1. 通道配置

MAX1300 提供 8 個(gè)單端或 4 個(gè)真差分模擬輸入通道，而 MAX1301 則提供 4 個(gè)單端或 2 個(gè)真差分模擬輸入通道。這種靈活的通道配置使得它們能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

2. 輸入范圍

每個(gè)模擬輸入通道都可以通過(guò)軟件獨(dú)立編程，支持七種單端輸入范圍和三種差分輸入范圍。單端輸入范圍涵蓋了從 0 到 (3 x VREF)/2、(-3 x VREF)/2 到 0 等多種選擇；差分輸入范圍則包括 (±3 x VREF)/2、±3 x VREF 和 ±6 x VREF。這種豐富的輸入范圍使得 ADC 能夠處理各種不同幅度的模擬信號(hào)。

3. 參考電壓

芯片內(nèi)部集成了 +4.096V 的參考電壓，為 ADC 提供了一個(gè)方便的解決方案。同時(shí)，它們也可以接受 3.800V 至 4.136V 的外部參考電壓，以滿足更高精度的應(yīng)用需求。

4. 封裝與工作溫度

MAX1300 采用 24 引腳 TSSOP 封裝，MAX1301 采用 20 引腳 TSSOP 封裝。兩款器件的工作溫度范圍均為 -40°C 至 +85°C，能夠適應(yīng)較為惡劣的工業(yè)環(huán)境。

二、關(guān)鍵特性

1. 軟件可編程輸入范圍

每個(gè)通道的輸入范圍都可以通過(guò)軟件進(jìn)行靈活配置，這為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了極大的便利。無(wú)論是單端輸入還是差分輸入，都能根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。

2. 高過(guò)壓容忍度

模擬輸入引腳具有 ±16.5V 的過(guò)壓容忍能力，這意味著在實(shí)際應(yīng)用中，即使輸入信號(hào)出現(xiàn)意外的過(guò)壓情況，也不會(huì)對(duì) ADC 造成損壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3. 內(nèi)部或外部參考

支持內(nèi)部和外部參考電壓，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的參考方式。內(nèi)部參考方便快捷，外部參考則能提供更高的精度。

4. 高采樣率

最高采樣率可達(dá) 115ksps，能夠滿足大多數(shù)高速數(shù)據(jù)采集的需求。

5. 低功耗模式

具備部分掉電模式和完全掉電模式。部分掉電模式下，電源電流可降至 1.3mA（典型值）；完全掉電模式下，電源電流可降至 1μA（典型值），有效降低了系統(tǒng)的功耗。

三、電氣特性

1. 直流精度

分辨率為 16 位，積分非線性（INL）和差分非線性（DNL）指標(biāo)優(yōu)秀，保證了 ADC 的轉(zhuǎn)換精度。同時(shí)，具有較低的偏移誤差和增益誤差，以及良好的通道間增益匹配和偏移誤差匹配性能。

2. 動(dòng)態(tài)指標(biāo)

在不同的輸入條件下，信號(hào) - 噪聲加失真比（SINAD）、信號(hào) - 噪聲比（SNR）、總諧波失真（THD）和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）等指標(biāo)表現(xiàn)出色，能夠有效抑制噪聲和失真，提高信號(hào)的質(zhì)量。

3. 轉(zhuǎn)換速率

在不同的工作模式下，轉(zhuǎn)換速率有所不同。外部時(shí)鐘模式下，最高可達(dá) 114ksps；外部采集模式下為 84ksps；內(nèi)部時(shí)鐘模式下為 106ksps。工程師可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的工作模式。

4. 模擬輸入特性

模擬輸入具有 2MHz 的小信號(hào)帶寬和 700kHz 的全功率帶寬，能夠處理高頻信號(hào)。輸入電壓范圍可通過(guò)軟件進(jìn)行選擇，并且具有良好的共模抑制比（CMRR）和輸入阻抗特性。

5. 參考電壓特性

內(nèi)部參考電壓為 4.096V，具有較低的溫度系數(shù)和良好的負(fù)載調(diào)節(jié)能力。外部參考電壓范圍為 3.800V 至 4.136V，能夠滿足不同的精度要求。

6. 數(shù)字接口特性

數(shù)字輸入和輸出具有良好的電氣特性，如輸入高電壓、輸入低電壓、輸入滯回和輸入泄漏電流等指標(biāo)都符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，輸出低電壓和輸出高電壓也能滿足與其他數(shù)字電路的接口需求。

7. 電源特性

模擬電源電壓和數(shù)字電源電壓范圍為 4.75V 至 5.25V，不同工作模式下的電源電流不同。部分掉電模式和完全掉電模式能夠有效降低功耗，提高系統(tǒng)的能效。

8. 時(shí)序特性

SCLK 周期、SCLK 高脈沖寬度、SCLK 低脈沖寬度等時(shí)序參數(shù)都有明確的要求，工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要嚴(yán)格按照這些參數(shù)進(jìn)行配置，以確保 ADC 的正常工作。

四、工作原理

1. 轉(zhuǎn)換操作

MAX1300/MAX1301 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）電路，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為 16 位數(shù)字結(jié)果。支持單端和差分配置，并且可以通過(guò)軟件編程選擇單極性和雙極性信號(hào)范圍。

2. 跟蹤 - 保持電路

采用開(kāi)關(guān)電容 T/H 架構(gòu)，能夠?qū)⒛M輸入信號(hào)存儲(chǔ)為采樣電容上的電荷。在不同的工作模式下，T/H 電路的時(shí)序和采樣時(shí)刻有所不同，工程師需要根據(jù)具體的工作模式進(jìn)行配置。

3. 模擬輸入電路

通過(guò)模擬輸入配置字節(jié)可以選擇差分或單端轉(zhuǎn)換。模擬輸入信號(hào)源需要能夠驅(qū)動(dòng) ADC 的 17kΩ 輸入電阻，并且輸入具有 ±16.5V 的故障容忍能力，通過(guò)背靠背二極管進(jìn)行保護(hù)。

4. 模擬輸入帶寬

輸入跟蹤電路具有 2MHz 的小信號(hào)帶寬，能夠?qū)Ω咚偎矐B(tài)事件進(jìn)行數(shù)字化處理。但在數(shù)字化高于 15kHz 的信號(hào)頻率時(shí)，諧波失真會(huì)增加。

5. 模擬輸入范圍和故障容忍度

每個(gè)模擬輸入通道可以通過(guò)軟件獨(dú)立編程選擇不同的輸入范圍，并且具有 ±16.5V 的故障容忍能力。即使輸入電壓超出滿量程范圍，但在 ±16.5V 故障容忍范圍內(nèi)，也能保證 ADC 的正常工作。

6. 差分共模范圍

差分共模范圍（VCMDR）必須保持在 -14V 至 +10V 之間，以獲得有效的轉(zhuǎn)換結(jié)果。同時(shí)，每個(gè)模擬輸入相對(duì)于 AGND1 必須限制在 ±16.5V 以內(nèi)。

7. 數(shù)字接口

采用 SPI/QSPI 和 MICROWIRE 兼容的串行接口，支持最高 10MHz 的 SCLK 速率。通過(guò)數(shù)字接口可以選擇輸入通道配置、輸入范圍、工作模式，以及啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和讀取結(jié)果。

8. 輸出數(shù)據(jù)格式

輸出數(shù)據(jù)以偏移二進(jìn)制格式在 SCLK 的下降沿從 DOUT 輸出，最高有效位（MSB）優(yōu)先。

9. 模式控制

通過(guò)模式控制字節(jié)可以選擇不同的轉(zhuǎn)換方法和電源模式，包括外部時(shí)鐘模式、外部采集模式、內(nèi)部時(shí)鐘模式、復(fù)位模式、部分掉電模式和完全掉電模式。

五、應(yīng)用信息

1. 噪聲降低

通過(guò)過(guò)采樣的方法，即采集更多的樣本并進(jìn)行平均，可以有效降低轉(zhuǎn)換結(jié)果中的過(guò)渡噪聲影響。采樣樣本數(shù)的平方根決定了性能的改善程度。

2. 與 0 至 10V 信號(hào)接口

在工業(yè)控制應(yīng)用中，0 至 10V 信號(hào)較為常見(jiàn)?？梢詫?MAX1300/MAX1301 的輸入通道配置為單端 0 至 +3 x VREF 范圍，以適應(yīng) 0 至 10V 的信號(hào)。

3. 與 4 - 20mA 信號(hào)接口

4 - 20mA 信號(hào)可以作為二進(jìn)制開(kāi)關(guān)或用于精確通信。對(duì)于二進(jìn)制開(kāi)關(guān)應(yīng)用，可以通過(guò)電阻將 4 - 20mA 信號(hào)轉(zhuǎn)換為 1V 至 5V 的信號(hào)；對(duì)于精確測(cè)量應(yīng)用，需要使用緩沖器來(lái)防止 ADC 輸入分流電流。

4. 橋接應(yīng)用

在橋接應(yīng)用中，MAX1300/MAX1301 能夠比類似的 sigma - delta 轉(zhuǎn)換器更準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換 1kHz 信號(hào)。對(duì)于對(duì)增益誤差要求較高的應(yīng)用，可以對(duì) ADC 輸入進(jìn)行緩沖處理。

5. 動(dòng)態(tài)調(diào)整輸入范圍

通過(guò)軟件控制每個(gè)通道的模擬輸入范圍和單極性端點(diǎn)重疊規(guī)范，可以動(dòng)態(tài)改變輸入范圍，提高某些應(yīng)用的性能。

6. 布局、接地和旁路

為了獲得最佳的系統(tǒng)性能，PCB 布局需要注意將模擬和數(shù)字地平面分開(kāi)，避免模擬和數(shù)字信號(hào)相互干擾。同時(shí)，需要對(duì)電源進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐月诽幚?，以降低噪聲?/p>

六、結(jié)語(yǔ)

MAX1300 和 MAX1301 作為兩款高性能的 16 位串行 ADC，具有豐富的功能和優(yōu)秀的電氣特性。它們?cè)诠I(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、航空電子、機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇通道配置、輸入范圍、工作模式等參數(shù)，同時(shí)注意 PCB 布局和電源旁路等問(wèn)題，以充分發(fā)揮這兩款 ADC 的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用類似 ADC 時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。