MAX1226/MAX1228/MAX1230：高性能12位300ksps ADCs的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們就來深入探討MAXIM公司的MAX1226/MAX1228/MAX1230這三款12位300ksps ADCs，看看它們有哪些獨(dú)特的性能和應(yīng)用場(chǎng)景。

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產(chǎn)品概述

MAX1226/MAX1228/MAX1230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(shí)鐘模式、內(nèi)部平均和AutoShutdown?等特性。使用外部時(shí)鐘時(shí)，最大采樣率可達(dá)300ksps。其中，MAX1230有16個(gè)輸入通道，MAX1228有12個(gè)輸入通道，MAX1226有8個(gè)輸入通道，所有輸入通道都可配置為單端或差分輸入，支持單極性或雙極性模式。這三款器件均采用+5V電源供電，包含一個(gè)10MHz SPI?/QSPI?/MICROWIRE?兼容的串行端口，可在 -40°C至 +85°C的擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)工作。

關(guān)鍵特性亮點(diǎn)

高精度溫度傳感器

內(nèi)部溫度傳感器的精度可達(dá)±0.7°C，能夠準(zhǔn)確測(cè)量環(huán)境溫度，為系統(tǒng)提供可靠的溫度數(shù)據(jù)，適用于對(duì)溫度敏感的應(yīng)用場(chǎng)景。

先進(jìn)的FIFO設(shè)計(jì)

擁有16項(xiàng)先入先出（FIFO）模擬多路復(fù)用器，可處理多個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘轉(zhuǎn)換和溫度測(cè)量，而不會(huì)占用串行總線，提高了數(shù)據(jù)處理效率。

多通道配置

提供16、12、8通道單端和8、6、4通道真差分輸入選擇，滿足不同應(yīng)用的需求。其精度方面，積分非線性（INL）和差分非線性（DNL）均為±1 LSB，且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)無丟失碼，保證了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。

低功耗設(shè)計(jì)

采用單 +5V電源供電，在300ksps采樣率下電流僅為2.3mA，內(nèi)部4.096V參考或外部差分參考，有效降低了功耗。

高速接口

具備10MHz 3線SPI/QSPI/MICROWIRE兼容接口，方便與微處理器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳輸。

電氣特性分析

直流精度

分辨率為12位，INL和DNL均為±1.0 LSB，偏移誤差和增益誤差在±0.5至±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，確保了高精度的直流轉(zhuǎn)換。

動(dòng)態(tài)特性

在30kHz正弦波輸入、4.096VP - P、300ksps采樣率和4.8MHz時(shí)鐘頻率下，信號(hào) - 噪聲加失真比（SINAD）為73 dB，總諧波失真（THD）為 -88 dBc，無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）為89 dBc，互調(diào)失真（IMD）為76 dBc，滿功率帶寬為1 MHz，滿線性帶寬為100 kHz，展現(xiàn)了良好的動(dòng)態(tài)性能。

其他特性

轉(zhuǎn)換時(shí)間方面，內(nèi)部參考上電時(shí)間根據(jù)不同情況有所不同，采集時(shí)間為0.6μs，轉(zhuǎn)換時(shí)間在內(nèi)部時(shí)鐘模式下為3.5μs，外部時(shí)鐘模式下為2.7μs。輸入電壓范圍在單極性模式下為0至VREF，雙極性模式下為 -VREF / 2至VREF / 2，輸入泄漏電流和電容也有相應(yīng)的規(guī)格。

引腳配置與功能

不同型號(hào)的引腳配置有所差異，主要包括模擬輸入引腳（AIN）、參考輸入引腳（REF - 、REF +）、轉(zhuǎn)換啟動(dòng)引腳（CNVST）、時(shí)鐘引腳（SCLK）、片選引腳（CS）、數(shù)據(jù)輸入輸出引腳（DIN、DOUT）和轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出引腳（EOC）等。每個(gè)引腳都有其特定的功能，例如SCLK用于時(shí)鐘數(shù)據(jù)的輸入輸出，CS用于選擇芯片，EOC用于指示轉(zhuǎn)換是否完成。

工作模式與操作方法

轉(zhuǎn)換操作

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(hào)轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字結(jié)果，支持單端和差分配置。

輸入帶寬

輸入跟蹤電路具有1MHz的小信號(hào)帶寬，可通過欠采樣技術(shù)數(shù)字化高速瞬態(tài)事件和測(cè)量帶寬超過ADC采樣率的周期信號(hào)，但需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行抗混疊預(yù)濾波。

模擬輸入保護(hù)

內(nèi)部ESD保護(hù)二極管可將所有引腳鉗位到VDD和GND，允許輸入在（GND - 0.3V）至（VDD + 0.3V）范圍內(nèi)擺動(dòng)而不損壞，但為保證全量程附近的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，輸入不得超過VDD 50mV或低于GND 50mV。

3線串行接口

與SPI/QSPI和MICROWIRE設(shè)備兼容，CPU串行接口需運(yùn)行在主模式以生成串行時(shí)鐘信號(hào)，SCLK頻率可選擇10MHz或更低，時(shí)鐘極性（CPOL）和相位（CPHA）需與μP控制寄存器設(shè)置一致。通過設(shè)置CS低電平在SCLK上升沿鎖存DIN輸入數(shù)據(jù)，DOUT輸出數(shù)據(jù)在SCLK下降沿更新。

單端/差分輸入

可通過寫入設(shè)置寄存器配置為差分或單端轉(zhuǎn)換，單端轉(zhuǎn)換內(nèi)部參考GND，差分模式可消除共模直流偏移和噪聲。

單極性/雙極性模式

通過設(shè)置寄存器的相應(yīng)位可選擇單極性或雙極性模式，單極性模式下差分輸入范圍為0至VREF，雙極性模式下為±VREF / 2，輸出格式分別為二進(jìn)制和二進(jìn)制補(bǔ)碼。

內(nèi)部FIFO

可容納多達(dá)16個(gè)ADC結(jié)果和一個(gè)溫度結(jié)果，允許ADC處理多個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘轉(zhuǎn)換和溫度測(cè)量，而不占用串行總線。當(dāng)FIFO滿時(shí)，新結(jié)果會(huì)覆蓋舊結(jié)果。

內(nèi)部時(shí)鐘

由內(nèi)部振蕩器提供時(shí)鐘，精度在4.4MHz標(biāo)稱時(shí)鐘速率的10%以內(nèi)，在時(shí)鐘模式00、01和10下有效，數(shù)據(jù)讀取時(shí)鐘速度可達(dá)10MHz。

應(yīng)用信息

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、復(fù)位寄存器、單極性寄存器和雙極性寄存器等，每個(gè)寄存器都有其特定的功能和配置方法。

轉(zhuǎn)換時(shí)間計(jì)算

轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于多個(gè)因素，如每個(gè)樣本的轉(zhuǎn)換時(shí)間、每個(gè)結(jié)果的樣本數(shù)、每次掃描的結(jié)果數(shù)、是否請(qǐng)求溫度測(cè)量以及是否使用外部參考等。不同時(shí)鐘模式下的轉(zhuǎn)換時(shí)間計(jì)算方法也有所不同。

溫度測(cè)量

利用內(nèi)部二極管連接的晶體管進(jìn)行溫度測(cè)量，通過改變二極管偏置電流產(chǎn)生與溫度相關(guān)的偏置電壓差，計(jì)算出與絕對(duì)溫度成比例的數(shù)字值，并將輸出數(shù)據(jù)調(diào)整為攝氏度。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

布局、接地和旁路

為獲得最佳性能，應(yīng)使用PCB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(hào)線相互分離，避免模擬和數(shù)字（特別是時(shí)鐘）信號(hào)并行布線或數(shù)字線在MAX1226/MAX1228/MAX1230封裝下方布線。VDD電源中的高頻噪聲會(huì)影響性能，需使用0.1μF電容將VDD電源旁路到GND，并盡量縮短電容引線長(zhǎng)度。對(duì)于QFN封裝，應(yīng)將其暴露焊盤連接到地。

部分讀寫問題

在FIFO數(shù)據(jù)讀取和寫入過程中，需注意部分讀取和寫入可能導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失問題。如果CS在少于8個(gè)SCLK周期后拉高，可能會(huì)丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)；如果在EOC變低之前拉低CS，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換無法完成和FIFO損壞。

總結(jié)

MAX1226/MAX1228/MAX1230以其高精度、多通道、低功耗和豐富的功能特性，適用于系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制、患者監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)記錄和儀器儀表等多種應(yīng)用場(chǎng)景。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，可根據(jù)具體需求合理配置寄存器和工作模式，同時(shí)注意布局、接地和旁路等問題，以充分發(fā)揮這些ADC的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用類似ADC時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。