探索MAX1248/MAX1249：低功耗4通道10位串行ADC的卓越性能與應用

在電子設計領域，模擬到數字的轉換是一個至關重要的環節，它直接影響著系統的數據采集與處理能力。今天，我們將深入探討MAXIM公司推出的MAX1248/MAX1249這兩款+2.7V至+5.25V低功耗、4通道、串行10位ADC，了解它們的特性、工作原理以及應用場景。

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一、產品概述

MAX1248/MAX1249是兩款功能強大的10位數據采集系統，它們將4通道多路復用器、高帶寬跟蹤/保持電路和串行接口集于一身，具備高轉換速度和低功耗的顯著優勢。這兩款ADC采用單+2.7V至+5.25V電源供電，其模擬輸入可通過軟件配置實現單極性/雙極性以及單端/差分操作，為不同的應用場景提供了靈活的選擇。

1.1 接口特性

它們擁有4線串行接口，能夠直接與SPI?/QSPI?和MICROWIRE?設備相連，無需額外的外部邏輯。此外，串行選通輸出允許直接連接到TMS320系列數字信號處理器，方便實現數據的傳輸與處理。

1.2 參考電壓

MAX1248內置2.5V參考電壓，而MAX1249則需要外部參考電壓。兩款器件都配備了參考緩沖放大器，其電壓調整范圍為±1.5%，可根據實際需求進行靈活調整。

1.3 低功耗設計

這兩款ADC提供了硬連線的SHDN引腳和軟件可選的掉電模式，并且可以編程實現轉換結束后自動關機。訪問串行接口時，MAX1248/MAX1249會自動上電，其快速開啟時間使得它們可以在每次轉換之間關機，在降低采樣率的情況下，可將電源電流降低至60μA以下，有效節省了功耗。

1.4 封裝形式

MAX1248/MAX1249提供16引腳DIP和非常小的QSOP封裝，其中QSOP封裝占用的電路板面積與8引腳SO封裝相同，節省了電路板空間。

二、關鍵特性

2.1 輸入通道

具備4通道單端或2通道差分輸入，可根據實際應用需求選擇合適的輸入方式。

2.2 電源與功耗

• 寬電源范圍：支持單+2.7V至+5.25V電源供電，適應不同的電源環境。
• 低功耗：在不同的工作模式下，功耗表現出色。例如，在133ksps、+3V電源時，功耗為1.2mA；在1ksps、+3V電源時，功耗為54μA；在掉電模式下，功耗僅為1μA。

2.3 兼容性

與SPI/QSPI/MICROWIRE/TMS320兼容的4線串行接口，方便與各種微處理器和數字信號處理器進行接口連接。

2.4 輸入模式

軟件可配置單極性或雙極性輸入，滿足不同的信號采集需求。

2.5 封裝優勢

采用16引腳QSOP封裝，與8引腳SO封裝占用相同的電路板面積，節省空間。

三、電氣特性

3.1 直流精度

• 分辨率：10位分辨率，能夠提供較高的測量精度。
• 相對精度：MAX124A的相對精度為±0.5 LSB，MAX124B為±1.0 LSB。
• 差分非線性：無漏碼，差分非線性為±1 LSB。
• 偏移誤差和增益誤差：不同型號的偏移誤差和增益誤差有所不同，具體可參考數據手冊。
• 增益溫度系數：±0.25 ppm/°C，保證了在不同溫度環境下的穩定性。
• 通道間偏移匹配：±0.05 LSB，確保各通道之間的一致性。

3.2 動態特性

• 信噪失真比（SINAD）：66 dB，能夠有效抑制噪聲干擾，提高信號質量。
• 總諧波失真（THD）：高達-70 dB，減少了諧波對信號的影響。
• 無雜散動態范圍（SFDR）：70 dB，提供了更純凈的信號輸出。
• 通道間串擾：-75 dB，降低了通道之間的相互干擾。
• 小信號帶寬：2.25 MHz，可處理高頻信號。
• 滿功率帶寬：1.0 MHz，滿足一定的功率要求。

3.3 轉換速率

• 轉換時間：根據不同的時鐘模式和條件，轉換時間有所不同，例如內部時鐘、SHDN = FLOAT時，轉換時間為5.5 - 7.5 μs。
• 跟蹤/保持采集時間：1.5 μs，能夠快速采集信號。
• 孔徑延遲：30 ns，確保信號采集的準確性。
• 孔徑抖動：<50 ps，減少了抖動對信號的影響。
• 內部時鐘頻率：SHDN = FLOAT時為1.8 MHz，SHDN = VDD時為0.225 MHz。
• 外部時鐘頻率：范圍為0.1 - 2.0 MHz，數據傳輸時為0 - 2.0 MHz。

3.4 其他特性

• 模擬/COM輸入：輸入電壓范圍可根據單極性或雙極性模式進行配置，多路復用器泄漏電流小，輸入電容為16 pF。
• 內部參考（僅MAX1248）：VREF輸出電壓在TA = +25°C時為2.470 - 2.530 V，短電路電流為30 mA，溫度系數為±30 ppm/°C，負載調節性能良好。
• 外部參考：VREF輸入電壓范圍為1.0 - VDD + 50mV，輸入電流和電阻在一定范圍內，掉電時輸入電流較小。
• 數字輸入輸出：輸入高、低電壓和滯后電壓等參數符合規定，輸出電壓低和高在不同負載電流下有相應的值，三態泄漏電流和輸出電容較小。
• 電源要求：正電源電壓范圍為2.70 - 5.25 V，不同工作模式下的正電源電流不同，電源抑制能力為±0.3 mV。

四、工作原理

4.1 轉換技術

MAX1248/MAX1249采用逐次逼近轉換技術和輸入跟蹤/保持（T/H）電路，將模擬信號轉換為10位數字輸出。通過內部控制邏輯和時鐘信號，實現信號的采集、轉換和數據輸出。

4.2 偽差分輸入

在單端模式下，IN+內部連接到CH0 - CH3，IN-連接到COM；在差分模式下，IN+和IN-從CH0/CH1和CH2/CH3兩對通道中選擇。這種偽差分輸入配置在轉換過程中，只有IN+的信號被采樣，IN-需要在轉換期間保持相對于AGND的穩定性，通常通過連接0.1μF電容來實現。

4.3 跟蹤/保持

T/H電路在控制字的特定位時鐘輸入后進入跟蹤和保持模式。在跟蹤模式下，選擇的正輸入（IN+）對電容CHOLD充電；在保持模式下，T/H開關打開，保持CHOLD上的電荷作為IN+信號的采樣。跟蹤/保持的采集時間取決于輸入信號的源阻抗和輸入電容，計算公式為[t{ACQ} = 7.6 times (R{S} + R{IN}) times 16 pF]，其中(R{IN}=9 k Omega) ，(R{S})為輸入信號的源阻抗，且(t{ACQ})不小于1.5μs。當源阻抗低于3kΩ時，對ADC的交流性能影響較小；若使用更高的源阻抗，可通過連接0.01μF電容到各個模擬輸入來解決，但會形成RC濾波器，限制ADC的信號帶寬。

4.4 啟動轉換

通過將控制字節時鐘輸入到DIN來啟動轉換。當CS為低電平時，SCLK的每個上升沿將DIN的一位時鐘輸入到內部移位寄存器。CS下降后，第一個到達的邏輯“1”位定義控制字節的MSB，在此之前輸入的邏輯“0”位無影響。控制字節的格式包括通道選擇、單極性/雙極性模式、單端/差分模式、時鐘和掉電模式等信息。

4.5 時鐘模式

• 外部時鐘模式：外部時鐘不僅用于數據的移位輸入和輸出，還驅動模擬到數字的轉換步驟。SSTRB在控制字節的最后一位后脈沖高電平一個時鐘周期，隨后的10個SCLK下降沿進行逐次逼近位決策并在DOUT輸出結果。當CS為高電平時，SSTRB和DOUT進入高阻態。此模式適用于串行時鐘頻率較高且穩定的情況，但如果串行時鐘頻率低于100kHz或可能出現中斷導致轉換間隔超過120μs，建議使用內部時鐘模式。
• 內部時鐘模式：MAX1248/MAX1249內部生成轉換時鐘，減輕了微處理器的負擔，允許以0MHz到2MHz的任意時鐘速率讀取轉換結果。SSTRB在轉換開始時變為低電平，轉換完成后變為高電平，最大低電平持續時間為7.5μs（(overline{SHDN}= FLOAT) ），在此期間SCLK保持低電平可獲得最佳噪聲性能。轉換過程中數據存儲在內部寄存器中，轉換完成后SCLK可隨時將數據從寄存器中時鐘輸出。CS在轉換開始后不需要保持低電平，拉高CS可防止數據輸入并使DOUT處于三態，但不影響已開始的內部時鐘模式轉換。

五、應用信息

5.1 上電復位

上電時，如果SHDN未拉低，內部上電復位電路將激活MAX1248/MAX1249使其進入內部時鐘模式，SSTRB為高電平，準備進行轉換。電源穩定后，內部復位時間為10μs，在此期間不應進行轉換。上電后SSTRB為高電平，若CS為低電平，DIN上的第一個邏輯1被解釋為起始位，轉換開始前DOUT輸出零。

5.2 參考緩沖補償

SHDN除了具有掉電功能外，還可選擇內部或外部補償。外部補償通過將SHDN浮空選擇，典型工作電路在VREF使用4.7μF電容，可確保參考緩沖器的穩定性并允許轉換器以2MHz的全時鐘速度運行，但會增加上電時間；內部補償通過將SHDN拉高選擇，不需要在VREF使用外部電容，上電時間最短，內部時鐘模式下最大時鐘速率為2MHz，外部時鐘模式下為400kHz。

5.3 掉電模式選擇

通過將轉換器置于低電流掉電狀態可節省功率。可通過DIN控制字節的第1和第0位選擇完全掉電或快速掉電模式（SHDN為高電平或浮空），在兩種軟件掉電模式下，串行接口仍可工作，但ADC不進行轉換。將SHDN拉低可完全關閉轉換器，且SHDN優先級高于控制字節的第1和第0位。完全掉電模式關閉所有消耗靜態電流的芯片功能，使電源電流通常降至2μA；快速掉電模式關閉除帶隙參考外的所有電路，電源電流為30μA，在內部補償模式下上電時間可縮短至5μs。

5.4 內部和外部參考

MAX1248可使用內部或外部參考電壓，而MAX1249需要外部參考電壓。外部參考電壓可直接連接到VREF或REFADJ引腳。內部緩沖器設計為為MAX1248和MAX1249在VREF提供2.5V電壓。MAX1248的內部校準1.21V參考電壓通過增益為2.06的緩沖器提供；MAX1249的REFADJ引腳也通過增益為2.06的緩沖器將外部1.25V參考電壓轉換為2.5V在VREF輸出。

5.5 布局、接地和旁路

為獲得最佳性能，建議使用印刷電路板，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（特別是時鐘）線相互平行，或數字線位于ADC封裝下方。建立單點模擬接地（星型接地），將所有其他模擬接地和DGND連接到星型接地，避免其他數字系統接地連接到該接地。為減少VDD電源中的高頻噪聲對ADC高速比較器的影響，在MAX1248/MAX1249引腳1附近使用0.1μF和1μF電容將電源旁路到星型接地，并盡量減少電容引腳長度以提高電源噪聲抑制能力。若+3V電源噪聲較大，可連接10Ω電阻作為低通濾波器。

5.6 高速數字接口

• QSPI接口：MAX1248/MAX1249可通過特定電路（(f_{SCLK}=2.0 MHz) ，(CPOL=0) ，(CPHA=0) ）與QSPI接口，該QSPI電路可編程對四個通道進行轉換，并將結果存儲在內存中，減輕CPU負擔，因為QSPI集成了自己的微序列器。兩款器件在最大外部時鐘頻率2MHz以下與QSPI兼容。
• TMS320LC3x接口：可通過特定電路將MAX1248/MAX1249與TMS320在外部時鐘模式下接口。具體操作步驟包括配置TMS320的時鐘、將MAX1248/MAX1249的CS引腳拉低、寫入8位字啟動轉換并進入外部時鐘模式、監測SSTRB輸出、讀取轉換結果以及拉高CS禁用器件等待下一次轉換。

六、總結

MAX1248/MAX1249以其高集成度、低功耗、高性能和靈活的配置選項，成為眾多數據采集應用的理想選擇。無論是便攜式數據記錄、醫療儀器、筆式數字化儀，還是電池供電儀器和系統監控等領域，這兩款ADC都能發揮出色的性能。在實際設計中，我們需要根據具體的應用需求，合理選擇輸入模式、時鐘模式、參考電壓和掉電模式，并注意電路板的布局、接地和旁路等問題，以充分發揮其優勢，實現高效、準確的數據采集與處理。

你在實際項目中使用過類似的ADC嗎？遇到過哪些挑戰和解決方案呢？歡迎在評論區分享你的經驗和觀點。