探索MAX11638/MAX11639/MAX11642/MAX11643：8位、16/8通道、300ksps ADCs的卓越性能

在電子設計領域，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，我們將深入探討Maxim推出的MAX11638/MAX11639/MAX11642/MAX11643系列8位、16/8通道、300ksps ADCs，了解它們的特性、應用以及如何在實際設計中發揮優勢。

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一、產品概述

MAX11638/MAX11639/MAX11642/MAX11643是具有內部參考的串行8位ADC，具備片上FIFO、掃描模式、內部時鐘模式、內部平均和AutoShutdown?等特性。該系列ADC的最大采樣率可達300ksps（使用外部時鐘），其中MAX11642/MAX11643擁有16個輸入通道，而MAX11638/MAX11639則有8個輸入通道。它們可在+3V或+5V電源下工作，并配備10MHz SPI - /QSPI? - /MICROWIRE?兼容的串行端口。

1. 封裝形式

• MAX11638/MAX11639采用16引腳QSOP封裝。
• MAX11642/MAX11643采用24引腳QSOP封裝。

2. 工作溫度范圍

所有四款器件均在-40°C至+85°C的擴展溫度范圍內工作。

二、應用領域

這些ADC適用于多種應用場景，包括但不限于：

• 系統監控：實時監測系統中的各種模擬信號，確保系統穩定運行。
• 數據采集系統：高效采集各種模擬數據，為后續分析提供準確的數據支持。
• 工業控制系統：在工業自動化中，精確轉換模擬信號，實現對工業過程的精確控制。
• 患者監測：在醫療設備中，對患者的生理信號進行準確采集和處理。
• 數據記錄：記錄各種模擬信號的變化，為后續數據分析提供依據。
• 儀器儀表：用于各種儀器的信號轉換和處理，提高儀器的精度和可靠性。

三、產品特性

1. 模擬多路復用器與跟蹤保持（T/H）

• MAX11642/MAX11643具有16個通道。
• MAX11638/MAX11639具有8個通道。

2. 單電源供電

• MAX11639/MAX11643的供電范圍為2.7V至3.6V。
• MAX11638/MAX11642的供電范圍為4.75V至5.25V。

3. 內部參考

• MAX11639/MAX11643的內部參考電壓為2.5V。
• MAX11638/MAX11642的內部參考電壓為4.096V。 同時，也支持1V至VDD的外部參考電壓。

4. 16項先進先出（FIFO）

FIFO緩沖器可容納多達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。

5. 掃描模式、內部平均和內部時鐘

支持多種工作模式，可根據實際需求靈活配置。

6. 高精度

精度方面表現出色，具有±1 LSB的積分非線性（INL）和±1 LSB的微分非線性（DNL），且在整個溫度范圍內無丟失碼。

7. 高速接口

具備10MHz的3線SPI - /QSPI - /MICROWIRE兼容接口，實現高速數據傳輸。

8. 小型封裝

采用小型的QSOP封裝，節省電路板空間。

四、電氣特性

1. 直流精度

• 分辨率：8位。
• 積分非線性（INL）：±0.5 LSB。
• 微分非線性（DNL）：±0.5 LSB，無丟失碼。
• 偏移誤差：±0.5至±1 LSB。
• 增益誤差：±0.5至±1 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。

2. 動態特性

• 信噪失真比（SINAD）：49 dB。
• 總諧波失真（THD）：-70 dBc（高達5次諧波）。
• 無雜散動態范圍（SFDR）：-72 dBc。
• 互調失真（IMD）：-67 dBc（fIN1 = 29.9kHz，fIN2 = 30.1kHz）。
• 滿功率帶寬：1 MHz。
• 全線性帶寬：100 kHz。

3. 轉換速率

• 上電時間：外部參考時為0.8 s，內部參考時為65 s。
• 采集時間：0.6 μs。
• 轉換時間：內部時鐘時為3.5 μs，外部時鐘時為2.7 μs。
• 外部時鐘頻率：0.1至4.8 MHz。

4. 模擬輸入

• 輸入電壓范圍：單極性，0至VREF。
• 輸入泄漏電流：±0.01至±1 μA。
• 輸入電容：采集期間為24 pF。

5. 內部參考

• 參考輸出電壓：MAX11638/MAX11642為4.024至4.168 V，MAX11639/MAX11643為2.48至2.52 V。
• 參考溫度系數：MAX11638/MAX11642為±20 ppm/°C，MAX11639/MAX11643為+30 ppm/°C。
• 輸出電阻：6.5 kΩ。
• 參考輸出噪聲：200 μVRMS。
• 參考電源抑制比（PSRR）：-70 dB。

6. 外部參考

• 參考輸入電壓范圍：1.0至Vpp + 50mV。
• 參考輸入電流：40至100 μA。

7. 數字輸入輸出

• 數字輸入：不同型號的輸入電壓低（VIL）和高（VIH）有所不同，輸入滯后為200 mV，輸入泄漏電流為±0.01至±1.0 μA，輸入電容為15 pF。
• 數字輸出：輸出電壓低（VOL）在不同負載電流下有所不同，輸出電壓高（VOH）為VDD - 0.5 V，三態泄漏電流為±0.05至±1 μA，三態輸出電容為15 pF。

8. 電源要求

• 電源電壓：MAX11638/MAX11642為4.75至5.25 V，MAX11639/MAX11643為2.7至3.6 V。
• 電源電流：不同工作模式和采樣率下的電源電流有所不同，關機電流為0.2至5 μA。
• 電源抑制比（PSR）：±0.2至±1.4 mV。

五、引腳描述

六、工作原理

1. 轉換器操作

采用逐次逼近寄存器（SAR）轉換技術和片上T/H模塊，將電壓信號轉換為8位數字結果，支持單端信號范圍。

2. 輸入帶寬

輸入跟蹤電路具有1MHz的小信號帶寬，可使用欠采樣技術數字化高速瞬態事件和測量帶寬超過ADC采樣率的周期性信號。但需要對輸入信號進行抗混疊預濾波，以避免高頻信號混疊到感興趣的頻帶中。

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，允許輸入在(VGND - 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，需將輸入電流限制在2mA。

4. 3線串行接口

與SPI/QSPI和MICROWIRE設備兼容，支持SPI/QSPI的主模式。SCLK頻率可選擇10MHz或更低，并設置時鐘極性（CPOL）和相位（CPHA）。該系列ADC可在SCLK空閑高或低的情況下工作，即CPOL = CPHA = 0或CPOL = CPHA = 1。通過設置CS低電平，在SCLK的上升沿鎖存DIN的輸入數據，DOUT的輸出數據在SCLK的下降沿更新，結果以二進制格式輸出。

5. 單端輸入

可通過寫入設置寄存器來配置單端模擬輸入轉換模式，單端轉換內部參考GND。

6. 真差分模擬輸入T/H

在跟蹤模式下，正輸入電容連接到AIN0 - AIN15，負輸入電容連接到GND。使用時鐘模式01進行外部T/H定時，T/H進入保持模式后，轉換采樣的正、負輸入電壓之差。采集時間tACQ由輸入電容充電速度決定，計算公式為： [t{ACQ}=9 timesleft(RS{S}+R{IN}right) × 24 pF+t{P W R}] 其中(R_{IN}=1.5 k Omega)，RS是輸入信號的源阻抗，(tPWR =1 mu s)。當轉換為內部定時時，tACQ從不小于1.4μs，源阻抗低于300Ω不會顯著影響ADC的AC性能。對于高阻抗源，可以通過延長tACQ或在正、負模擬輸入之間放置1μF電容來解決。

7. 內部FIFO

包含一個可容納多達16個ADC結果的FIFO緩沖器，允許ADC處理多個內部時鐘轉換，而無需占用串行總線。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。

8. 內部時鐘

基于內部振蕩器工作，該振蕩器在4.4MHz標稱時鐘速率的10%范圍內準確。內部振蕩器在時鐘模式00、01和10中處于活動狀態，可在高達10MHz的時鐘速度下讀取數據。

七、應用信息

1. 寄存器描述

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，包括轉換寄存器、設置寄存器、平均寄存器和復位寄存器。

• 轉換寄存器：用于選擇每次掃描的活動模擬輸入通道和掃描模式。
• 設置寄存器：用于配置時鐘、參考和掉電模式。
• 平均寄存器：用于配置ADC對每個請求結果最多平均32個樣本，并獨立控制單通道掃描請求的結果數量。
• 復位寄存器：用于清除FIFO或將所有寄存器重置為默認狀態。

2. 轉換時間計算

轉換時間取決于多個因素，包括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，轉換時間的計算方法有所不同。

3. 不同時鐘模式下的轉換操作

• 時鐘模式00：通過CNVST啟動喚醒、采集、轉換和關機序列，使用內部振蕩器自動執行。結果添加到內部FIFO中，待后續讀取。
• 時鐘模式01：使用CNVST一次請求一個轉換，使用內部振蕩器自動執行。設置CNVST低電平開始采集，高電平開始轉換。如果啟用平均功能，需要執行多個CNVST脈沖才能將結果寫入FIFO。
• 時鐘模式10：通過向轉換寄存器寫入輸入數據字節啟動喚醒、采集、轉換和關機序列，使用內部振蕩器自動執行。這是上電后的默認時鐘模式。
• 時鐘模式11：通過向轉換寄存器寫入數據啟動采集和轉換，使用SCLK作為轉換時鐘，一次執行一個轉換。掃描和平均功能禁用，轉換結果在轉換期間可在DOUT獲取。

4. 部分讀取和部分寫入

如果FIFO中的條目第一個字節部分讀取，第二個字節將包含接下來的8位；如果第一個字節完全讀取，但第二個字節部分讀取，該條目的其余部分將丟失。內部寄存器通過SPI部分寫入時，從MSB開始到部分寫入停止的位置包含新值，未寫入部分包含先前寫入的值。

5. 傳輸函數

單端輸入的單極性傳輸函數中，代碼轉換發生在連續整數LSB值的中間，輸出編碼為二進制，1 LSB = VREF/256。

八、布局、接地和旁路

為了獲得最佳性能，建議使用PCB，避免使用繞線板。電路板布局應確保數字和模擬信號線相互分離，避免模擬和數字（尤其是時鐘）信號相互平行或數字線穿過封裝下方。VDD電源中的高頻噪聲會影響性能，因此需要在VDD引腳附近使用0.1μF電容將VDD電源旁路至GND，并盡量減小電容引線長度以獲得最佳電源噪聲抑制效果。如果電源噪聲很大，可以在電源中串聯一個10Ω電阻以改善電源濾波。

九、總結

MAX11638/MAX11639/MAX11642/MAX11643系列ADC以其豐富的特性、高精度和良好的性能，為電子工程師在系統監控、數據采集、工業控制等多個領域的設計提供了有力的支持。在實際應用中，我們需要根據具體需求合理選擇型號和配置工作模式，同時注意電路板布局和電源處理，以充分發揮這些ADC的優勢。大家在使用這些ADC的過程中，有沒有遇到過什么有趣的問題或者獨特的應用案例呢？歡迎在評論區分享交流。