MAX1183：高性能低功耗雙路10位ADC的技術(shù)剖析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其是在成像、儀器儀表和數(shù)字通信等應(yīng)用中，需要高性能、低功耗的ADC。今天我們就來(lái)深入了解一下Maxim公司的MAX1183，一款雙路10位、40Msps、3V的低功耗ADC。

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一、產(chǎn)品概述

MAX1183是一款3V的雙路10位模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，具有全差分寬帶跟蹤保持（T/H）輸入，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)九級(jí)流水線ADC。它專(zhuān)為低功耗、高動(dòng)態(tài)性能的應(yīng)用而優(yōu)化，適用于成像、儀器儀表和數(shù)字通信等領(lǐng)域。該ADC采用單2.7V至3.6V電源供電，在輸入頻率為20MHz、采樣率為40Msps時(shí)，典型信噪比（SNR）為59.6dB，功耗僅120mW。其T/H驅(qū)動(dòng)輸入級(jí)包含400MHz（-3dB）輸入放大器，也可使用單端輸入。此外，MAX1183還具有2.8mA的睡眠模式和1μA的掉電模式，可在空閑期間節(jié)省功耗。

1. 性能特點(diǎn)

• 出色的動(dòng)態(tài)性能：在輸入頻率為20MHz時(shí)，SNR可達(dá)59.6dB，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）為73dB。
• 低功耗：正常工作電流為40mA，睡眠模式電流為2.8mA，掉電模式電流為1μA。
• 增益和相位匹配：增益匹配為0.02dB，相位匹配為0.25°。
• 寬輸入電壓范圍：差分模擬輸入電壓范圍為±1VP - P。
• 高輸入帶寬：-3dB輸入帶寬為400MHz。
• 片上參考：內(nèi)置2.048V精密帶隙參考。
• 可選擇輸出格式：可通過(guò)單控制引腳設(shè)置為二進(jìn)制補(bǔ)碼或偏移二進(jìn)制。
• 封裝優(yōu)勢(shì)：采用7mm × 7mm、48引腳TQFP封裝，帶有外露焊盤(pán)，有助于改善散熱。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

• 高分辨率成像：為成像系統(tǒng)提供高精度的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換。
• I/Q通道數(shù)字化：適用于通信系統(tǒng)中的I/Q信號(hào)處理。
• 多通道IF采樣：可用于多通道中頻采樣應(yīng)用。
• 儀器儀表：滿(mǎn)足儀器儀表對(duì)高精度數(shù)據(jù)采集的需求。
• 視頻應(yīng)用：在視頻處理中提供高質(zhì)量的信號(hào)轉(zhuǎn)換。
• 超聲：為超聲設(shè)備提供準(zhǔn)確的信號(hào)采集。

二、技術(shù)細(xì)節(jié)

1. 架構(gòu)設(shè)計(jì)

MAX1183采用九級(jí)全差分流水線架構(gòu)，這種架構(gòu)允許高速轉(zhuǎn)換，同時(shí)最大限度地降低功耗。輸入采樣信號(hào)每半個(gè)時(shí)鐘周期逐步通過(guò)流水線階段，包括輸出鎖存器的延遲，總時(shí)鐘周期延遲為五個(gè)時(shí)鐘周期。

2. 輸入跟蹤保持（T/H）電路

輸入T/H電路在跟蹤模式下，通過(guò)多個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，并將其存儲(chǔ)在電容上。放大器用于將電容充電到與輸入信號(hào)相同的值，然后將這些值提供給第一級(jí)量化器，從而隔離流水線與快速變化的輸入信號(hào)。該電路的寬輸入帶寬T/H放大器使MAX1183能夠跟蹤和采樣高頻模擬輸入。

3. 模擬輸入和參考配置

MAX1183的滿(mǎn)量程范圍由REFP和REFN之間的內(nèi)部生成電壓差決定，可通過(guò)REFIN引腳進(jìn)行調(diào)整。它提供三種參考操作模式：

• 內(nèi)部參考模式：將內(nèi)部參考輸出REFOUT通過(guò)電阻或電阻分壓器連接到REFIN，REFIN需通過(guò)大于10nF的電容旁路到地。
• 緩沖外部參考模式：在REFIN處施加穩(wěn)定準(zhǔn)確的電壓來(lái)外部調(diào)整參考電壓，COM、REFP和REFN成為輸出，REFOUT可懸空或通過(guò)大于10kΩ的電阻連接到REFIN。
• 無(wú)緩沖外部參考模式：將REFIN連接到地，停用REFP、COM和REFN的片上參考緩沖器，這些節(jié)點(diǎn)變?yōu)楦咦杩梗捎蓡为?dú)的外部參考源驅(qū)動(dòng)。

4. 時(shí)鐘輸入

MAX1183的CLK輸入接受CMOS兼容的時(shí)鐘信號(hào)。由于器件的級(jí)間轉(zhuǎn)換依賴(lài)于外部時(shí)鐘的上升和下降沿的重復(fù)性，因此應(yīng)使用低抖動(dòng)、快速上升和下降時(shí)間（<2ns）的時(shí)鐘。采樣發(fā)生在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿，該邊沿的抖動(dòng)會(huì)影響片上ADC的SNR性能，計(jì)算公式為： [SNR = 20 × log left(frac{1}{2 × pi × f{IN} × t{AJ}}right)] 其中，(f{IN})為模擬輸入頻率，(t{AJ})為孔徑抖動(dòng)時(shí)間。

5. 系統(tǒng)時(shí)序要求

MAX1183在輸入時(shí)鐘的上升沿采樣，通道A和B的輸出數(shù)據(jù)在輸入時(shí)鐘的下一個(gè)上升沿有效，輸出數(shù)據(jù)有五個(gè)時(shí)鐘周期的內(nèi)部延遲。

6. 數(shù)字輸出

所有數(shù)字輸出（D0A - D9A和D0B - D9B）與TTL/CMOS邏輯兼容，輸出編碼可通過(guò)T/B引腳選擇為偏移二進(jìn)制或二進(jìn)制補(bǔ)碼。為避免大的數(shù)字電流反饋到模擬部分，數(shù)字輸出的電容負(fù)載應(yīng)盡可能低（<15pF），可使用緩沖器進(jìn)一步隔離數(shù)字輸出與重電容負(fù)載，還可在數(shù)字輸出路徑靠近MAX1183處添加小串聯(lián)電阻（如100Ω）以提高動(dòng)態(tài)性能。

7. 電源管理

MAX1183提供睡眠和完全掉電兩種省電模式。在睡眠模式（SLEEP = 1）下，僅參考偏置電路工作，電流消耗降至2.8mA；將PD拉高可進(jìn)入完全掉電模式，當(dāng)OE同時(shí)為低時(shí)，所有輸出鎖存為掉電前的最后一個(gè)值，將OE拉高可使數(shù)字輸出進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)。

三、應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

1. 單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換

典型應(yīng)用電路中包含兩個(gè)單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部參考提供VDD/2輸出電壓用于電平轉(zhuǎn)換。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖后，分別輸入到電壓跟隨器和反相器，每個(gè)ADC后面跟隨一個(gè)低通濾波器以抑制高速運(yùn)算放大器產(chǎn)生的寬帶噪聲。用戶(hù)可選擇RISO和CIN的值來(lái)優(yōu)化濾波器性能。

2. 變壓器耦合

使用RF變壓器可將單端源信號(hào)轉(zhuǎn)換為全差分信號(hào)，滿(mǎn)足MAX1183的最佳性能要求。將變壓器的中心抽頭連接到COM可提供VDD/2的直流電平偏移。一般來(lái)說(shuō)，全差分輸入信號(hào)能使MAX1183提供更好的SFDR和THD性能，特別是在非常高的輸入頻率下。

3. 單端交流耦合輸入信號(hào)

對(duì)于單端交流耦合應(yīng)用，可使用如MAX4108等放大器，它們具有高速、高帶寬、低噪聲和低失真的特點(diǎn)，可保持輸入信號(hào)的完整性。

4. 典型QAM解調(diào)應(yīng)用

在數(shù)字通信應(yīng)用中，正交幅度調(diào)制（QAM）是常用的調(diào)制技術(shù)。在接收器端，QAM信號(hào)被分解為I和Q分量，使用MAX1183和MAX2451正交解調(diào)器可恢復(fù)和數(shù)字化I和Q基帶信號(hào)。在數(shù)字化之前，混合信號(hào)分量可通過(guò)匹配的模擬濾波器（如Nyquist或脈沖整形濾波器）進(jìn)行濾波，以提高整體信噪比性能并最小化符號(hào)間干擾。

四、PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

MAX1183需要高速電路板布局設(shè)計(jì)技術(shù)。所有旁路電容應(yīng)盡可能靠近器件，最好與ADC在同一側(cè)，使用表面貼裝器件以減少電感。VDD、REFP、REFN和COM應(yīng)通過(guò)兩個(gè)并聯(lián)的0.1μF陶瓷電容和一個(gè)2.2μF雙極性電容旁路到地，數(shù)字電源（OVDD）到OGND也應(yīng)遵循相同的旁路規(guī)則。多層電路板采用分離的接地和電源平面可提供最高的信號(hào)完整性。可考慮使用分割接地平面，將模擬接地（GND）和數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)接地（OGND）分開(kāi)，并在單點(diǎn)連接，以避免噪聲數(shù)字接地電流干擾模擬接地平面。高速數(shù)字信號(hào)走線應(yīng)遠(yuǎn)離敏感的模擬走線，模擬輸入線應(yīng)相互隔離以最小化通道間串?dāng)_，所有信號(hào)線應(yīng)盡量短且避免90度轉(zhuǎn)彎。

五、總結(jié)

MAX1183作為一款高性能、低功耗的雙路10位ADC，在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。其出色的動(dòng)態(tài)性能、低功耗特性以及靈活的參考配置和輸出格式選擇，使其成為電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)系統(tǒng)時(shí)的理想選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，合理的電路設(shè)計(jì)和PCB布局對(duì)于充分發(fā)揮MAX1183的性能至關(guān)重要。你在使用類(lèi)似ADC時(shí)遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。