MAX1300/MAX1301：8 與 4 通道、±3 x VREF 多量程輸入的 16 位串行 ADC

在電子設計領域，模擬 - 數字轉換器（ADC）是連接模擬世界與數字世界的關鍵橋梁。今天，我們將深入探討 Maxim Integrated 推出的 MAX1300 和 MAX1301 這兩款 16 位串行 ADC，它們在工業控制、數據采集等眾多領域有著廣泛的應用。

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一、產品概述

MAX1300 和 MAX1301 是多量程、低功耗的 16 位逐次逼近型 ADC，采用單 +5V 電源供電，最高吞吐量可達 115ksps。它們擁有獨立的數字電源，能與 2.7V 至 5.25V 的系統進行數字接口通信，通過 SPI - /QSPI? - /MICROWIRE? 兼容的串行接口實現數據傳輸。

1. 通道配置

MAX1300 提供 8 個單端或 4 個真差分模擬輸入通道，而 MAX1301 則提供 4 個單端或 2 個真差分模擬輸入通道。這種靈活的通道配置使得它們能夠適應不同的應用需求。

2. 輸入范圍

每個模擬輸入通道都可以通過軟件獨立編程，支持七種單端輸入范圍和三種差分輸入范圍。單端輸入范圍涵蓋了從 0 到 (3 x VREF)/2、(-3 x VREF)/2 到 0 等多種選擇；差分輸入范圍則包括 (±3 x VREF)/2、±3 x VREF 和 ±6 x VREF。這種豐富的輸入范圍使得 ADC 能夠處理各種不同幅度的模擬信號。

3. 參考電壓

芯片內部集成了 +4.096V 的參考電壓，為 ADC 提供了一個方便的解決方案。同時，它們也可以接受 3.800V 至 4.136V 的外部參考電壓，以滿足更高精度的應用需求。

4. 封裝與工作溫度

MAX1300 采用 24 引腳 TSSOP 封裝，MAX1301 采用 20 引腳 TSSOP 封裝。兩款器件的工作溫度范圍均為 -40°C 至 +85°C，能夠適應較為惡劣的工業環境。

二、關鍵特性

1. 軟件可編程輸入范圍

每個通道的輸入范圍都可以通過軟件進行靈活配置，這為工程師在設計電路時提供了極大的便利。無論是單端輸入還是差分輸入，都能根據實際需求進行調整。

2. 高過壓容忍度

模擬輸入引腳具有 ±16.5V 的過壓容忍能力，這意味著在實際應用中，即使輸入信號出現意外的過壓情況，也不會對 ADC 造成損壞，提高了系統的可靠性。

3. 內部或外部參考

支持內部和外部參考電壓，工程師可以根據具體應用場景選擇合適的參考方式。內部參考方便快捷，外部參考則能提供更高的精度。

4. 高采樣率

最高采樣率可達 115ksps，能夠滿足大多數高速數據采集的需求。

5. 低功耗模式

具備部分掉電模式和完全掉電模式。部分掉電模式下，電源電流可降至 1.3mA（典型值）；完全掉電模式下，電源電流可降至 1μA（典型值），有效降低了系統的功耗。

三、電氣特性

1. 直流精度

分辨率為 16 位，積分非線性（INL）和差分非線性（DNL）指標優秀，保證了 ADC 的轉換精度。同時，具有較低的偏移誤差和增益誤差，以及良好的通道間增益匹配和偏移誤差匹配性能。

2. 動態指標

在不同的輸入條件下，信號 - 噪聲加失真比（SINAD）、信號 - 噪聲比（SNR）、總諧波失真（THD）和無雜散動態范圍（SFDR）等指標表現出色，能夠有效抑制噪聲和失真，提高信號的質量。

3. 轉換速率

在不同的工作模式下，轉換速率有所不同。外部時鐘模式下，最高可達 114ksps；外部采集模式下為 84ksps；內部時鐘模式下為 106ksps。工程師可以根據實際需求選擇合適的工作模式。

4. 模擬輸入特性

模擬輸入具有 2MHz 的小信號帶寬和 700kHz 的全功率帶寬，能夠處理高頻信號。輸入電壓范圍可通過軟件進行選擇，并且具有良好的共模抑制比（CMRR）和輸入阻抗特性。

5. 參考電壓特性

內部參考電壓為 4.096V，具有較低的溫度系數和良好的負載調節能力。外部參考電壓范圍為 3.800V 至 4.136V，能夠滿足不同的精度要求。

6. 數字接口特性

數字輸入和輸出具有良好的電氣特性，如輸入高電壓、輸入低電壓、輸入滯回和輸入泄漏電流等指標都符合設計要求。同時，輸出低電壓和輸出高電壓也能滿足與其他數字電路的接口需求。

7. 電源特性

模擬電源電壓和數字電源電壓范圍為 4.75V 至 5.25V，不同工作模式下的電源電流不同。部分掉電模式和完全掉電模式能夠有效降低功耗，提高系統的能效。

8. 時序特性

SCLK 周期、SCLK 高脈沖寬度、SCLK 低脈沖寬度等時序參數都有明確的要求，工程師在設計電路時需要嚴格按照這些參數進行配置，以確保 ADC 的正常工作。

四、工作原理

1. 轉換操作

MAX1300/MAX1301 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）電路，將電壓信號轉換為 16 位數字結果。支持單端和差分配置，并且可以通過軟件編程選擇單極性和雙極性信號范圍。

2. 跟蹤 - 保持電路

采用開關電容 T/H 架構，能夠將模擬輸入信號存儲為采樣電容上的電荷。在不同的工作模式下，T/H 電路的時序和采樣時刻有所不同，工程師需要根據具體的工作模式進行配置。

3. 模擬輸入電路

通過模擬輸入配置字節可以選擇差分或單端轉換。模擬輸入信號源需要能夠驅動 ADC 的 17kΩ 輸入電阻，并且輸入具有 ±16.5V 的故障容忍能力，通過背靠背二極管進行保護。

4. 模擬輸入帶寬

輸入跟蹤電路具有 2MHz 的小信號帶寬，能夠對高速瞬態事件進行數字化處理。但在數字化高于 15kHz 的信號頻率時，諧波失真會增加。

5. 模擬輸入范圍和故障容忍度

每個模擬輸入通道可以通過軟件獨立編程選擇不同的輸入范圍，并且具有 ±16.5V 的故障容忍能力。即使輸入電壓超出滿量程范圍，但在 ±16.5V 故障容忍范圍內，也能保證 ADC 的正常工作。

6. 差分共模范圍

差分共模范圍（VCMDR）必須保持在 -14V 至 +10V 之間，以獲得有效的轉換結果。同時，每個模擬輸入相對于 AGND1 必須限制在 ±16.5V 以內。

7. 數字接口

采用 SPI/QSPI 和 MICROWIRE 兼容的串行接口，支持最高 10MHz 的 SCLK 速率。通過數字接口可以選擇輸入通道配置、輸入范圍、工作模式，以及啟動轉換和讀取結果。

8. 輸出數據格式

輸出數據以偏移二進制格式在 SCLK 的下降沿從 DOUT 輸出，最高有效位（MSB）優先。

9. 模式控制

通過模式控制字節可以選擇不同的轉換方法和電源模式，包括外部時鐘模式、外部采集模式、內部時鐘模式、復位模式、部分掉電模式和完全掉電模式。

五、應用信息

1. 噪聲降低

通過過采樣的方法，即采集更多的樣本并進行平均，可以有效降低轉換結果中的過渡噪聲影響。采樣樣本數的平方根決定了性能的改善程度。

2. 與 0 至 10V 信號接口

在工業控制應用中，0 至 10V 信號較為常見?？梢詫?MAX1300/MAX1301 的輸入通道配置為單端 0 至 +3 x VREF 范圍，以適應 0 至 10V 的信號。

3. 與 4 - 20mA 信號接口

4 - 20mA 信號可以作為二進制開關或用于精確通信。對于二進制開關應用，可以通過電阻將 4 - 20mA 信號轉換為 1V 至 5V 的信號；對于精確測量應用，需要使用緩沖器來防止 ADC 輸入分流電流。

4. 橋接應用

在橋接應用中，MAX1300/MAX1301 能夠比類似的 sigma - delta 轉換器更準確地轉換 1kHz 信號。對于對增益誤差要求較高的應用，可以對 ADC 輸入進行緩沖處理。

5. 動態調整輸入范圍

通過軟件控制每個通道的模擬輸入范圍和單極性端點重疊規范，可以動態改變輸入范圍，提高某些應用的性能。

6. 布局、接地和旁路

為了獲得最佳的系統性能，PCB 布局需要注意將模擬和數字地平面分開，避免模擬和數字信號相互干擾。同時，需要對電源進行適當的旁路處理，以降低噪聲。

六、結語

MAX1300 和 MAX1301 作為兩款高性能的 16 位串行 ADC，具有豐富的功能和優秀的電氣特性。它們在工業控制、數據采集、航空電子、機器人等領域有著廣泛的應用前景。工程師在設計電路時，需要根據具體的應用需求，合理選擇通道配置、輸入范圍、工作模式等參數，同時注意 PCB 布局和電源旁路等問題，以充分發揮這兩款 ADC 的性能優勢。你在使用類似 ADC 時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。