MAX11208：20位單通道超低功耗Delta - Sigma ADC的技術解析

在電子設計領域，對于高精度、低功耗的模擬 - 數字轉換器（ADC）的需求日益增長。今天我們要深入探討的MAX11208，就是一款滿足這些需求的優秀產品。

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一、產品概述

MAX11208是一款超低功耗（有源電流 < 300μA）、高分辨率的串行輸出ADC。它在單位功率下提供了業界最高的分辨率，非常適合那些需要高動態范圍且低功耗的應用，比如4mA - 20mA工業控制回路上的傳感器。該芯片工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，采用節省空間的10引腳μMAX封裝，并提供簡單的2線串行接口。

二、關鍵特性

高分辨率

• 20位滿量程分辨率：在不同采樣率下展現出出色的性能。在13.75sps時，MAX11208B可實現20位無噪聲分辨率；在120sps時，MAX11208A能達到19位無噪聲分辨率。
• 低噪聲：MAX11208B的噪聲僅為720nVRMS，這使得它在高精度測量中表現優異。
• 高精度：積分非線性（INL）為3ppm，且無丟失碼，保證了測量的準確性。

超低功耗

• 工作模式電流：最大電流消耗 < 300μA，而睡眠模式電流消耗 < 0.1μA，大大降低了功耗，適合電池供電的應用。
• 寬電壓范圍：模擬電源電壓范圍為2.7V - 3.6V，數字和I/O電源電壓范圍為1.7V - 3.6V，增加了設計的靈活性。

其他特性

• 全差分信號輸入和參考輸入：提高了抗干擾能力，增強了測量的穩定性。
• 內部系統時鐘：MAX11208A為2.4576MHz，MAX11208B為2.2528MHz，也支持外部時鐘輸入。
• 2線串行接口：方便與其他設備進行通信，簡化了電路設計。
• 按需偏移和增益自校準：確保測量的準確性，減少誤差。
• ESD保護：±2kV的ESD保護，提高了芯片的可靠性。
• 環保封裝：采用無鉛（Pb）且符合RoHS標準的μMAX封裝。

三、電氣特性

ADC性能

• 無噪聲分辨率：MAX11208A為19位，MAX11208B為20位。
• 熱噪聲：MAX11208A為2.1μVRMS，MAX11208B為0.72μVRMS。
• 積分非線性：在 - 10ppmFSR至 + 10ppmFSR之間。
• 零誤差：校準后在 - 13ppmFSR至 + 13ppmFSR之間。
• 零漂移：典型值為50nV/°C。
• 滿量程誤差：校準后在 - 30ppmFSR至 + 30ppmFSR之間。
• 滿量程誤差漂移：典型值為0.05ppmFSR/°C。
• 電源抑制比：AVDD直流抑制為70 - 80dB，DVDD直流抑制為90 - 100dB。

模擬輸入和參考輸入

• 共模抑制：直流抑制為90 - 123dB，對50Hz/60Hz的抑制能力也很強。
• 正常模式50Hz/60Hz抑制：MAX11208B在50Hz時為65 - 80.5dB，60Hz時為73 - 87dB。
• 共模電壓范圍：在GND至AVDD之間。
• 絕對輸入電壓：低輸入電壓為GND - 30mV，高輸入電壓為AVDD + 30mV。
• 直流輸入泄漏：睡眠模式下為±1μA。
• AIN動態輸入電流：典型值為5μA。

邏輯輸入和輸出

• 輸入電流：輸入泄漏電流為±1μA。
• 輸入低電壓：VIL為0.3 x VDVDD。
• 輸入高電壓：VIH為0.7 x VDVDD。
• 輸入滯后：VHYS為200mV。
• 外部時鐘：MAX11208A為2.4576MHz，MAX11208B為2.2528MHz。
• 輸出低電平：IOL = 1mA時，VOL為0.4V。
• 輸出高電平：IOH = 1mA時，VOH為0.9 x VDVDD。
• 浮動狀態泄漏電流：輸出泄漏電流為±10μA。
• 浮動狀態輸出電容：為9pF。

電源要求

• 模擬電源電壓：AVDD為2.7 - 3.6V。
• 數字電源電壓：DVDD為1.7 - 3.6V。
• 總工作電流：AVDD + DVDD為230 - 300μA。
• DVDD工作電流：為45 - 60μA。
• AVDD工作電流：為185 - 245μA。
• AVDD睡眠電流：為0.4 - 2μA。
• DVDD睡眠電流：為0.35 - 2μA。

2線串行接口時序特性

• SCLK頻率：最大為5MHz。
• SCLK脈沖寬度低：在5MHz時鐘下，占空比為60/40時為80ns。
• SCLK脈沖寬度高：在5MHz時鐘下，占空比為40/60時為80ns。
• SCLK上升沿到數據有效轉換時間：為40ns。
• SCLK上升沿數據保持時間：為3ns。
• RDY/DOUT下降到SCLK上升沿時間：為0ns。
• 下一次數據更新時間（無讀取允許）：MAX11208A為155μs，MAX11208B為169μs。
• 數據轉換時間：MAX11208A為8.6 - 73ms，MAX11208B為208.3 - 256.1ms。
• 校準開始后數據準備時間（CAL + CNV）：MAX11208A為208.4ms，MAX11208B為256.2ms。
• RDY/DOUT變低后SCLK高電平激活睡眠模式時間：MAX11208A為0 - 8.6ms，MAX11208B為0 - 73ms。
• 從睡眠模式喚醒后數據準備時間：MAX11208A為8.6 - 73ms，MAX11208B為8.6 - 73ms。

四、典型工作特性

通過一系列圖表展示了MAX11208在不同電壓和溫度條件下的工作特性，包括模擬有源電流、模擬睡眠電流、數字有源電流、數字睡眠電流、內部振蕩器頻率、偏移誤差、滿量程誤差、積分非線性、電源抑制比、共模抑制比、正常模式頻率響應等。這些特性有助于工程師在不同的應用場景中更好地使用該芯片。

五、引腳配置和功能

MAX11208采用10引腳μMAX封裝，各引腳功能如下：

• GND：接地，為模擬和數字電路提供接地參考。
• REFP：差分參考正輸入，連接到AVDD和GND之間的電壓，且必須比REFN更正。
• REFN：差分參考負輸入，連接到AVDD和GND之間的電壓，且必須比REFP更負。
• AINN：負全差分模擬輸入。
• AINP：正全差分模擬輸入。
• AVDD：模擬電源電壓，連接 + 2.7V至 + 3.6V的電源。
• DVDD：數字電源電壓，連接 + 1.7V至 + 3.6V的數字電源。
• RDY/DOUT：數據就緒輸出/串行數據輸出，具有雙重功能，在數據就緒時RDY為低電平，數據在SCLK下降沿改變。
• SCLK：串行時鐘輸入，用于提供外部串行時鐘。
• CLK：外部時鐘信號輸入，當由外部時鐘驅動時，內部時鐘關閉。

六、詳細工作原理

上電復位（POR）

MAX11208在數字電源（DVDD）和模擬電源（AVDD）上都采用了上電復位（POR）電路。數字POR觸發閾值約為1.2V，具有100mV的滯后；模擬POR觸發閾值約為1.25V，也具有100mV的滯后。當數字POR觸發時，芯片會進行自校準操作，為了確保校準準確，REFP和REFN引腳需要有穩定的參考電壓。

模擬輸入

芯片接受兩個模擬輸入（AINP和AINN），調制器輸入范圍為雙極性（ - VREF至 + VREF）。

內部振蕩器

MAX11208內置了高度穩定的內部振蕩器，為系統提供時鐘。系統時鐘運行內部狀態機，MAX11208A的時鐘頻率為2.4576MHz，MAX11208B為2.2528MHz。內部振蕩器時鐘會被分頻以驅動數字和模擬時序。

參考

芯片提供差分輸入REFP和REFN，用于連接外部參考電壓。VREFp和VREFN的共模電壓范圍在0至VAVDD之間，REFP和REFN的差分電壓范圍為1V至VAVDD。

數字濾波器

芯片包含一個片上數字低通濾波器，采用SINC4 - (sin x / x)?響應處理來自調制器的1位數據流。在單周期轉換模式下，轉換周期結束時濾波器會復位；在連續轉換潛伏模式下，濾波器不會復位。SINC4濾波器的 - 3dB頻率等于數據速率的24%。

串行數字接口

MAX11208通過2線串行接口進行通信，具有時鐘輸入和數據輸出。輸出速率根據封裝選項預先確定，MAX11208A為120sps，MAX11208B為13.75sps。

2線接口操作模式

• 每次轉換后讀取數據：RDY/DOUT用于指示數據就緒并輸出數據。數據以二進制補碼格式、MSB優先的方式輸出。讀取20位數據后，提供第25個SCLK脈沖可使RDY/DOUT恢復到空閑高電平狀態。
• 讀取數據后進行自校準：讀取24位轉換數據后，提供第25個SCLK脈沖使RDY/DOUT變高，再提供第26個SCLK脈沖可啟動自校準程序。
• 讀取數據后進入睡眠模式：在RDY/DOUT變低后，將SCLK置為高電平可使芯片進入睡眠模式。退出睡眠模式時，將SCLK置為低電平，芯片重新開始轉換。
• 單轉換模式：在轉換之間激活和停用睡眠模式，可降低功耗。
• 喚醒時自校準的單轉換模式：睡眠模式結束后，所有數據位移出并提供第25個SCLK脈沖使RDY/DOUT變高，第26個SCLK保持高電平直到需要喚醒芯片。喚醒后芯片自動進行自校準，數據準備好時RDY/DOUT變低。

七、應用信息

文檔中給出了RTD溫度測量電路和電阻橋測量電路的示例，展示了MAX11208在實際應用中的使用方法。

八、總結

MAX11208以其高分辨率、超低功耗、寬電壓范圍、豐富的功能和靈活的接口，為電子工程師在傳感器測量、便攜式儀器、電池應用和稱重秤等領域的設計提供了一個優秀的選擇。在實際設計中，工程師需要根據具體的應用需求，合理配置芯片的參數和工作模式，以充分發揮其性能優勢。大家在使用MAX11208的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題或者有獨特的應用經驗呢？歡迎在評論區分享交流。