MAX11634 - MAX11637：12位300ksps ADC的全面解析

在硬件設計領域，模擬 - 數字轉換器（ADC）是連接現實世界模擬信號與數字系統的關鍵橋梁。今天，我們就來深入探討MAXIM公司的MAX11634 - MAX11637系列12位300ksps ADC，看看它在性能、特性和應用方面有哪些獨特之處。

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一、概述

MAX11634 - MAX11637是一系列串行12位ADC，具備內部參考和真正的差分跟蹤/保持功能。它們適用于溫度控制、過程控制和監測等多種應用場景。該系列器件具有片上FIFO、掃描模式、內部時鐘模式、內部平均和AutoShutdown?等特性，最大采樣率可達300ksps（使用外部時鐘）。

產品型號與特性

• 通道數量：MAX11636/MAX11637有8個輸入通道，MAX11634/MAX11635有4個輸入通道。
• 供電電壓：可使用+3V或+5V電源供電。
• 封裝形式：采用16引腳QSOP封裝。
• 工作溫度范圍：-40°C至+85°C。

二、特性亮點

1. 模擬多路復用器與差分跟蹤/保持

該系列ADC支持8/4通道單端輸入和4/2通道真正差分輸入，可處理單極性或雙極性輸入信號。這種設計能夠有效消除共模直流偏移和噪聲，提高信號處理的準確性。

2. 單電源供電

不同型號對電源電壓的要求有所不同，MAX11635/MAX11637的供電范圍為2.7V至3.6V，MAX11634/MAX11636為4.75V至5.25V，為設計提供了一定的靈活性。

3. 外部參考

支持1V至VDD的外部參考電壓，方便根據實際需求進行配置。

4. 16項先進先出（FIFO）

內部的FIFO緩沖區可容納多達16個ADC結果，允許ADC處理多個內部時鐘轉換，而無需占用串行總線，提高了數據處理效率。

5. 掃描模式、內部平均和內部時鐘

具備掃描模式和內部平均功能，可提高測量的準確性。內部時鐘在時鐘模式00、01和10下有效，時鐘速度可達10MHz。

6. 高精度

在整個溫度范圍內，積分非線性（INL）和差分非線性（DNL）均為±1 LSB，無漏碼，保證了測量的高精度。

7. 小封裝

采用16引腳QSOP小封裝，節省了電路板空間，適合對空間要求較高的應用。

三、電氣特性

1. 絕對最大額定值

• 電源電壓：VDD至GND為 - 0.3V至+6V。
• 引腳電壓：CS、SCLK、DIN、EOC、DOUT至GND為 - 0.3V至(VDD + 0.3V)；AIN0 - AIN5、REF - /AIN6、CNVST/AIN7、REF + 至GND為 - 0.3V至(VDD + 0.3V)。
• 最大引腳電流：任何引腳的最大電流為50mA。
• 功耗：在TA = +70°C時，QSOP封裝（單層板）的連續功耗為667mW（+70°C以上以8.3mW/°C降額）。
• 溫度范圍：工作溫度范圍為 - 40°C至+85°C，存儲溫度范圍為 - 60°C至+150°C，結溫為+150°C，焊接溫度（回流）為+260°C。

2. 直流精度

• 分辨率：12位。
• 積分非線性（INL）：±1.0 LSB。
• 差分非線性（DNL）：在整個溫度范圍內無漏碼，±1.0 LSB。
• 偏移誤差：±0.5至±4.0 LSB。
• 增益誤差：±0.5至±4.0 LSB。
• 偏移誤差溫度系數：±2 ppm/°C FSR。
• 增益溫度系數：±0.8 ppm/°C。
• 通道間偏移匹配：±0.1 LSB。

3. 動態特性

• 信噪比加失真（SINAD）：MAX11635/MAX11637為71dB，MAX11634/MAX11636為73dB。
• 總諧波失真（THD）：MAX11635/MAX11637為 - 80dBc，MAX11634/MAX11636為 - 88dBc。
• 無雜散動態范圍（SFDR）：MAX11635/MAX11637為81dBc，MAX11634/MAX11636為89dBc。
• 互調失真（IMD）：fIN1 = 29.9kHz，fIN2 = 30.2kHz時為76dBc。
• 全功率帶寬：-3dB點為1MHz。
• 全線性帶寬：S/(N + D) > 68dB時為100kHz。

4. 轉換速率

• 上電時間：外部參考為0.8μs，內部參考為65μs。
• 采集時間：0.6μs。
• 轉換時間：內部時鐘為3.5μs，外部時鐘為2.7μs。
• 外部時鐘頻率：數據I/O為10MHz。
• 孔徑延遲：30ns。
• 孔徑抖動：< 50ps。

5. 模擬輸入

• 輸入電壓范圍：單極性為0至VREF，雙極性為 - VREF/2至+VREF/2。
• 輸入泄漏電流：VIN = VDD時為±0.01至±1μA。
• 輸入電容：采集時間內為24pF。

6. 內部參考

• 輸出電壓：MAX11634/MAX11636為4.024至4.168V，MAX11635/MAX11637為2.48至2.52V。
• 溫度系數：MAX11634/MAX11636為±20ppm/°C，MAX11635/MAX11637為±30ppm/°C。
• 輸出電阻：6.5kΩ。
• 輸出噪聲：200μVRMS。
• 電源抑制比（PSRR）： - 70dB。

7. 外部參考輸入

• REF - 輸入電壓范圍：0至500mV。
• REF + 輸入電壓范圍：1.0V至VDD + 50mV。
• REF + 輸入電流：在不同條件下為±0.1至±5μA。

8. 數字輸入

• 輸入電壓低（VIL）：MAX11634/MAX11636為0.8V，MAX11635/MAX11637為VDD x 0.3V。
• 輸入電壓高（VIH）：MAX11634/MAX11636為2.0V，MAX11635/MAX11637為VDD x 0.7V。
• 輸入滯后（VHYST）：200mV。

9. 數字輸出

• 輸出電壓低（VOL）：ISINK = 2mA時為0.4V，ISINK = 4mA時為0.8V。
• 輸出電壓高（VOH）：ISOURCE = 1.5mA時為VDD - 0.5V。
• 三態泄漏電流（IL）：CS = VDD時為±0.05至±1μA。
• 三態輸出電容（COUT）：CS = VDD時為15pF。

10. 電源要求

• 電源電壓：MAX11634/MAX11636為4.75至5.25V，MAX11635/MAX11637為2.7至3.6V。
• 電源電流：不同模式下有所不同，例如在內部參考且fSAMPLE = 300ksps時，MAX11635/MAX11637為1750至2000μA，MAX11634/MAX11636為2300至2550μA。
• 電源抑制（PSR）：在不同電源電壓和滿量程輸入下為±0.2至±1.4mV。

四、引腳配置與功能

1. 引腳配置

2. 引腳功能詳解

• 模擬輸入引腳（AIN）：用于連接模擬信號源，可配置為單端或差分輸入。
• 參考引腳（REF + 和REF - ）：提供參考電壓，REF + 需用0.1μF電容旁路至GND。
• 控制引腳（CS、SCLK、DIN、CNVST）：CS用于選擇芯片，SCLK為串行時鐘，DIN用于輸入數據，CNVST用于啟動轉換。
• 輸出引腳（DOUT、EOC）：DOUT輸出串行數據，EOC指示轉換結束。

五、轉換器操作

1. 轉換技術

MAX11634 - MAX11637采用全差分逐次逼近寄存器（SAR）轉換技術和片上跟蹤/保持（T/H）模塊，將溫度和電壓信號轉換為12位數字結果。支持單端和差分配置，單端模式為單極性信號范圍，差分模式為雙極性或單極性范圍。

2. 輸入帶寬

ADC的輸入跟蹤電路具有1MHz的小信號帶寬，可通過欠采樣技術對高速瞬態事件進行數字化，并測量帶寬超過ADC采樣率的周期性信號。但為避免高頻信號混疊到感興趣的頻帶，需要對輸入信號進行抗混疊預濾波。

3. 模擬輸入保護

內部ESD保護二極管將所有引腳鉗位到VDD和GND，允許輸入信號在(GND - 0.3V)至(VDD + 0.3V)范圍內擺動而不損壞。但為了在滿量程附近進行準確轉換，輸入信號不得超過VDD 50mV或低于GND 50mV。如果非通道模擬輸入電壓超過電源電壓，需將輸入電流限制在2mA以內。

4. 3線串行接口

該系列器件具有與SPI/QSPI和MICROWIRE設備兼容的串行接口。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頻率應選擇10MHz或更低，并將時鐘極性（CPOL）和相位（CPHA）設置為相同值。器件可在SCLK空閑高或低電平下工作，即CPOL = CPHA = 0或CPOL = CPHA = 1。CS低電平用于在SCLK上升沿鎖存DIN的輸入數據，DOUT的輸出數據在SCLK下降沿更新。雙極性真正差分結果以補碼格式提供，其他結果以二進制格式提供。

5. 單端/差分輸入

通過寫入設置寄存器，可將模擬輸入配置為差分或單端轉換。單端轉換內部參考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。

6. 單極性/雙極性模式

通過設置寄存器的位1和0可選擇單極性和雙極性模式。單極性模式下，差分輸入范圍為0至VREF；雙極性模式下，差分輸入范圍為±VREF/2。單端模式下，器件始終工作在單極性模式，模擬輸入內部參考GND，滿量程輸入范圍為0至VREF。

7. 真正差分模擬輸入T/H

輸入架構的等效電路顯示，在跟蹤模式下，正輸入電容連接到單端模式的AIN0 - AIN7（或差分模式的AIN0、AIN2、AIN4、AIN5、AIN6），負輸入電容連接到單端模式的GND（或差分模式的AIN1、AIN3、AIN5、AIN6、AIN7）。對于外部T/H定時，可使用時鐘模式01。T/H進入保持模式后，將采樣的正、負輸入電壓之差進行轉換。信號采集所需的時間取決于輸入電容的充電速度，輸入信號源阻抗高時，采集時間會延長。

8. 內部FIFO

內部FIFO緩沖區可容納多達16個ADC結果，允許ADC處理多個內部時鐘轉換而不占用串行總線。如果FIFO已滿且在未讀取FIFO的情況下請求進一步轉換，最舊的ADC結果將被新結果覆蓋。每個結果包含2個字節，MSB前有四個前導零。CS下降沿后，最舊的可用數據字節在DOUT以MSB優先輸出。FIFO為空時，DOUT為零。

9. 內部時鐘

器件由內部振蕩器驅動，其精度在4.4MHz標稱時鐘速率的10%以內。內部振蕩器在時鐘模式00、01和10下有效，數據讀取時鐘速度可達10MHz。

六、應用信息

1. 寄存器描述

MAX11634 - MAX11637通過SPI/QSPI兼容的串行接口在內部寄存器和外部電路之間進行通信。相關寄存器包括轉換寄存器、設置寄存器、平均寄存器、復位寄存器、單極性寄存器和雙極性寄存器，具體功能可參考相關表格。

2. 轉換時間計算

轉換時間的計算取決于多個因素，如每個樣本的轉換時間、每個結果的樣本數、每次掃描的結果數以及是否使用外部參考。不同時鐘模式下的轉換時間計算方法不同，具體公式如下：

• 時鐘模式00和10：總轉換時間 = tCNV x nAVG x nRESULT + tRP，其中tCNV = tACQ(MAX) + tCONV(MAX)，nAVG為每個結果的樣本數（平均量），nRESULT為請求的FIFO結果數，tRP為內部參考喚醒時間（內部參考已上電或使用外部參考時為零）。
• 時鐘模式01：總轉換時間取決于CNVST保持低電平或高電平的時間，包括打開內部參考所需的時間。
• 外部時鐘模式（CKSEL1, CKSEL0 = 11）：轉換時間取決于SCLK周期和每組八個SCLK周期之間CS保持高電平的時間。

3. 轉換寄存器

通過寫入轉換寄存器可選擇活動模擬輸入通道和掃描模式。在時鐘模式10或11下，通過寫入轉換寄存器請求掃描；在時鐘模式00或01下，通過向CNVST引腳施加低脈沖請求掃描。如果在已配置為CNVST或REF - 的通道上請求轉換，則不會執行轉換。

七、總結

MAX11634 - MAX11637系列ADC憑借其高精度、多通道、靈活的配置和低功耗等特性，在系統監控、數據采集、工業控制、患者監測等多個領域具有廣泛的應用前景。作為電子工程師，在設計相關系統時，需要根據具體需求合理選擇型號，充分利用其各項特性，以實現最佳的性能和可靠性。你在使用這類ADC時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論