探索MAX157/MAX159：低功耗10位ADC的卓越性能與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換是一項(xiàng)至關(guān)重要的技術(shù)。今天，我們將深入探討MAXIM推出的兩款低功耗、2通道、108ksps、串行10位ADC——MAX157和MAX159。這兩款器件在電池供電和數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用中展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

文件下載：MAX157.pdf

一、器件概述

MAX157和MAX159采用8引腳μMAX和DIP封裝，單電源供電范圍為+2.7V至+5.25V。它們具備7.4μs逐次逼近型ADC、自動(dòng)掉電功能、快速喚醒（2.5μs）、片上時(shí)鐘以及高速3線串行接口。在最大采樣率108ksps時(shí)，功耗僅為3.2mW（(V_{DD}= +3.6V)），在較低吞吐量速率下，0.2μA的自動(dòng)關(guān)機(jī)功能進(jìn)一步降低了功耗。

1. 通道特性

• MAX157：提供2通道單端操作，接受0至VREF的輸入信號(hào)。
• MAX159：接受0至VREF的偽差分輸入。

2. 應(yīng)用場(chǎng)景

這些轉(zhuǎn)換器適用于電池供電系統(tǒng)、便攜式數(shù)據(jù)記錄、隔離數(shù)據(jù)采集和過(guò)程控制監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。對(duì)于需要引腳兼容的12位升級(jí)，可以參考MAX144/MAX145的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

二、關(guān)鍵特性

1. 電源與功耗

• 單電源操作：支持+2.7V至+5.25V的單電源，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 低功耗：不同采樣率下功耗表現(xiàn)出色，例如在108ksps、+3V時(shí)為0.9mA，10ksps、+3V時(shí)為100μA，1ksps、+3V時(shí)為10μA，掉電模式下小于0.2μA。

2. 采樣與接口

• 內(nèi)部跟蹤/保持：具備108ksps的采樣率，能夠滿足高速數(shù)據(jù)采集需求。
• 3線串行接口：與SPI?、QSPI?和MICROWIRE?兼容，方便與微處理器連接。

3. 封裝與升級(jí)

• 節(jié)省空間的8引腳μMAX封裝：適合對(duì)空間要求較高的應(yīng)用。
• 引腳兼容的12位升級(jí)：為未來(lái)的性能提升提供了便利。

三、電氣特性

1. 直流精度

• 分辨率：10位分辨率，確保了較高的測(cè)量精度。
• 相對(duì)精度：MAX15_A型號(hào)的相對(duì)精度為±0.5 LSB，MAX15_B型號(hào)為±1 LSB。
• 差分非線性：±0.5 LSB，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2. 動(dòng)態(tài)特性

• 信噪比加失真（SINAD）：66 dB，提供了良好的信號(hào)質(zhì)量。
• 總諧波失真（THD）： -70 dB，減少了信號(hào)失真。
• 無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）：70 dB，提高了信號(hào)的純凈度。

3. 其他特性

• 轉(zhuǎn)換時(shí)間：外部時(shí)鐘模式下為7.4μs，內(nèi)部時(shí)鐘模式下為5 - 7μs。
• 跟蹤/保持采集時(shí)間：2.5μs，確?？焖俨杉盘?hào)。

四、工作模式與操作

1. 時(shí)鐘模式選擇

• 內(nèi)部時(shí)鐘模式：當(dāng)(f{SCLK}<100kHz)或(f{SCLK}>2.17MHz)時(shí)，使用內(nèi)部激光微調(diào)振蕩器，讓系統(tǒng)微處理器無(wú)需運(yùn)行SAR轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，方便在不同時(shí)鐘頻率下讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。
• 外部時(shí)鐘模式：時(shí)鐘頻率在100kHz至2.17MHz之間時(shí)，外部時(shí)鐘信號(hào)不僅能移出數(shù)據(jù)，還能驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，提供最佳的吞吐量。

2. 輸出數(shù)據(jù)格式

輸出為16位串行數(shù)據(jù)流，前三位為邏輯高（內(nèi)部時(shí)鐘模式包含EOC位），接著是通道標(biāo)識(shí)、10位數(shù)據(jù)（MSB優(yōu)先）和兩個(gè)子LSB位。

3. 自動(dòng)掉電模式

當(dāng)(overline{CS} / SHDN = VDD)時(shí)，器件進(jìn)入掉電模式，內(nèi)部電路關(guān)閉，供應(yīng)電流通常小于0.2μA。若外部參考穩(wěn)定在1LSB以?xún)?nèi)，喚醒時(shí)間為2.5μs。

五、應(yīng)用信息

1. 信號(hào)指標(biāo)計(jì)算

• 信噪比（SNR）：理想情況下，(SNR(MAX)=(6.02 cdot N + 1.76) dB)，實(shí)際中還需考慮其他噪聲源。
• 信噪比加失真（SINAD）：(SINAD(dB)=20 cdot log left[frac{ Signal {RMS }}{( Noise + Distortion ){RMS }}right])
• 有效位數(shù)（ENOB）：(ENOB =(SINAD - 1.76) / 6.02)
• 總諧波失真（THD）：(THD =20 cdot log left(sqrt{frac{left(V{2}^{2}+V{3}^{2}+V{4}^{2}+V{5}^{2}right)}{V_{1}^{2}}}right))
• 無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）：是基波（最大信號(hào)分量）的RMS幅度與下一個(gè)最大雜散分量（不包括直流偏移）的RMS值之比。

2. 接口連接

• 標(biāo)準(zhǔn)接口兼容性：與SPI/QSPI和MICROWIRE標(biāo)準(zhǔn)串行接口完全兼容。
• 連接步驟：以SPI接口為例，需將CPU的串行接口設(shè)為主模式，選擇合適的時(shí)鐘頻率，通過(guò)通用I/O線拉低CS/SHDN，等待喚醒時(shí)間，激活SCLK進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。

六、布局與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. PCB布局

• 模擬與數(shù)字分離：確保模擬和數(shù)字走線分開(kāi)，避免相互干擾。
• 接地設(shè)計(jì)：采用星型接地，降低接地阻抗，減少噪聲。
• 電源旁路：使用0.1μF和1μF的并聯(lián)電容對(duì)VDD進(jìn)行旁路，靠近電源引腳，必要時(shí)添加衰減電阻。

2. 輸入保護(hù)

內(nèi)部保護(hù)二極管可使輸入通道在GND - 300mV至VDD + 300mV范圍內(nèi)擺動(dòng)而不受損壞，但為保證準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，輸入不應(yīng)超過(guò)VDD + 50mV或低于GND - 50mV。若輸入電壓超過(guò)電源，需限制輸入電流至4mA。

七、總結(jié)

MAX157和MAX159以其低功耗、高性能和易于使用的特點(diǎn)，成為電池供電和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體需求選擇合適的工作模式和接口連接方式，同時(shí)注意PCB布局和輸入保護(hù)，以充分發(fā)揮這兩款A(yù)DC的性能優(yōu)勢(shì)。大家在使用過(guò)程中是否遇到過(guò)類(lèi)似ADC的一些特殊問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。