探索 MAX1061/MAX1063：高性能 10 位 ADC 的卓越之選

在電子設計的領域中，模擬 - 數字轉換器（ADC）扮演著至關重要的角色，它是連接模擬世界和數字世界的橋梁。今天，我們就來深入了解一下 Maxim 公司推出的兩款低功耗、10 位 ADC——MAX1061 和 MAX1063，它們在數據采集、工業控制等諸多領域都有著廣泛的應用前景。

文件下載：MAX1063.pdf

一、產品概述

MAX1061/MAX1063 是具備 250ksps 采樣速率、采用 +3V 單電源供電的 10 位 ADC，分別擁有 8 通道和 4 通道的模擬輸入。其顯著特點包括片內 +2.5V 參考電壓、自動掉電功能、快速喚醒（僅需 2μs）、內置時鐘以及高速字節并行接口。而且，通過 VLOGIC 引腳，它們能夠直接與 +1.8V 至 +3.6V 的數字電源相連，這種靈活的接口設計為系統設計帶來了極大的便利。

1. 低功耗優勢

在當今對節能要求日益提高的時代，低功耗是電子設備的關鍵特性之一。MAX1061/MAX1063 在這方面表現出色，在最大采樣率 250ksps 時，功耗僅為 5.7mW（VDD = VLOGIC）。同時，具有兩種軟件可選的掉電模式，在轉換間隔期間可將器件關閉，需要時通過訪問并行接口即可恢復正常工作。在較低采樣率下，掉電模式能將電源電流降至 10μA 以下，這對于電池供電的設備來說，無疑能夠大大延長電池的使用壽命。

2. 靈活的輸入配置

這兩款 ADC 支持軟件配置，可實現單極性/雙極性以及單端/偽差分操作。在單端模式下，MAX1061 有 8 個輸入通道，而 MAX1063 有 4 個輸入通道；在偽差分模式下，分別為 4 個和 2 個輸入通道。這種靈活的輸入配置方式能夠滿足不同應用場景的需求，提高了設備的通用性。

3. 出色的性能與小封裝

MAX1061/MAX1063 擁有卓越的動態性能和低功耗特性，同時易于使用且封裝尺寸小。MAX1061 采用 28 引腳 QSOP 封裝，MAX1063 采用 24 引腳 QSOP 封裝，這使得它們非常適合對功耗和空間要求苛刻的應用，如電池供電設備和數據采集系統等。

二、電氣特性分析

1. 直流精度

• 分辨率：兩款 ADC 均具備 10 位分辨率，能夠提供較為精確的模擬信號數字化結果。
• 相對精度：MAX106_A 系列的相對精度為 ±0.5 LSB，MAX106_B 系列為 ±1 LSB。
• 差分非線性：在整個溫度范圍內，差分非線性誤差不超過 ±1 LSB，保證了無漏碼和單調的傳輸函數。
• 增益誤差：增益誤差在 ±2 LSB 以內，并且增益溫度系數為 ±2.0 ppm/°C，確保了在不同溫度環境下的穩定性。
• 通道間偏移匹配：通道間偏移匹配誤差在 ±0.1 LSB 以內，提高了多通道應用的準確性。

2. 動態特性

• 信噪失真比（SINAD）：在輸入信號為 50kHz 正弦波、峰 - 峰值為 2.5V、采樣率為 250ksps 的情況下，SINAD 可達 60dB，能夠有效抑制噪聲和失真。
• 總諧波失真（THD）：THD 低至 -72dB，保證了信號的純凈度。
• 無雜散動態范圍（SFDR）：SFDR 為 72dB，能夠有效抑制雜散信號的干擾。
• 互調失真（IMD）：在輸入信號頻率分別為 49kHz 和 52kHz 時，IMD 為 76dB，確保了多信號輸入時的性能。
• 全線性帶寬和全功率帶寬：全線性帶寬為 250kHz，全功率帶寬為 3MHz，能夠滿足高速信號采集的需求。

3. 轉換速率與時間

• 轉換時間：不同的工作模式下，轉換時間有所不同。外部時鐘模式下為 3.3μs，外部采集/內部時鐘模式下為 2.5 - 3.5μs，內部采集/內部時鐘模式下為 3.2 - 4.1μs。
• 跟蹤/保持采集時間：最大為 625ns，能夠快速準確地采集輸入信號。
• 孔徑延遲和抖動：外部采集或外部時鐘模式下，孔徑延遲為 50ns，孔徑抖動小于 50ns；內部采集/內部時鐘模式下，孔徑抖動小于 200ps。

4. 電源要求

• 供電電壓：模擬電源電壓范圍為 2.7V - 3.6V，數字電源電壓范圍為 1.8V - （VDD + 0.3V）。
• 電源電流：在不同工作模式和采樣率下，電源電流有所變化。例如，在 250ksps 采樣率、內部參考模式下，工作電流為 2.3 - 2.6mA；在待機模式下，內部參考時為 0.9 - 1.2mA；在掉電模式下，電流可低至 2 - 10μA。

三、工作原理詳解

MAX1061/MAX1063 采用逐次逼近（SAR）轉換技術和輸入跟蹤/保持（T/H）級，將模擬輸入信號轉換為 10 位數字輸出。其并行（8 + 2）輸出格式方便與標準微處理器接口。

1. 單端和偽差分操作

• 單端模式：在單端模式下，IN+ 分別連接到 MAX1061 的 CH0 - CH7 通道或 MAX1063 的 CH0 - CH3 通道，IN- 連接到 COM。
• 偽差分模式：IN+ 和 IN- 從模擬輸入對中選擇，內部切換到相應的模擬輸入。需要注意的是，僅對 IN+ 的信號進行采樣，IN- 必須在轉換期間相對于 GND 保持穩定在 ±0.5 LSB（最佳性能時為 ±0.1 LSB），可通過連接 0.1μF 電容器到 GND 來實現。

2. 模擬輸入保護

內部保護二極管將模擬輸入鉗位到 VDD 和 GND，允許每個輸入通道在 (GND - 300mV) 至 (VDD + 300mV) 范圍內擺動而不損壞。但為了在滿量程附近實現準確轉換，兩個輸入不得超過 (VDD + 50mV) 或低于 (GND - 50mV)。如果非活動通道的模擬輸入電壓超過電源電壓 50mV 以上，需將正向偏置輸入電流限制在 4mA。

3. 跟蹤/保持功能

MAX1061/MAX1063 的 T/H 級在 WR 的上升沿進入跟蹤模式。在外部采集模式下，下一個 WR 的上升沿使其進入保持模式；在內部采集模式下，寫入控制字節后時鐘的第四個下降沿使其進入保持模式（在內部時鐘模式下，約 1μs 后）。跟蹤/保持時間取決于輸入信號的源阻抗和 ADC 的輸入電容，可通過公式 (t{ACQ}=7times(R{S}+R{IN})times C{IN}) 計算。當源阻抗低于 3kΩ 時，對 AC 性能無顯著影響；若使用更高源阻抗，可連接 0.01μF 電容器到模擬輸入，以形成 RC 濾波器，但會限制信號帶寬。

4. 輸入帶寬

T/H 級提供 250kHz 的全線性帶寬和 3MHz 的全功率帶寬，可采用欠采樣技術對高速瞬變進行數字化，并測量帶寬超過 ADC 采樣率的周期性信號。為避免高頻信號混疊，建議使用抗混疊濾波器。

5. 轉換啟動與讀取

• 啟動轉換：通過寫入控制字節選擇復用器通道并配置為單極性或雙極性操作，寫脈沖可啟動采集間隔或同時啟動采集和轉換。控制字節中的 ACQMOD 位提供內部和外部兩種采集模式選擇，轉換周期在內部或外部時鐘及采集模式下均為 13 個時鐘周期。在轉換周期內寫入新的控制字節將中止當前轉換并開始新的采集間隔。
• 讀取轉換結果：標準中斷信號 INT 用于指示轉換結束和有效結果可用。INT 在轉換完成且輸出數據準備好時變為低電平，在第一次讀取周期或寫入新控制字節時返回高電平。

6. 時鐘模式選擇

• 內部時鐘模式：將控制字節的 D7 位置為 1，D6 位置為 0 可選擇內部時鐘模式。此時，內部時鐘頻率確定，轉換時間為 3.6μs。為防止 CLK 引腳浮空，需將其拉高或拉低。
• 外部時鐘模式：將控制字節的 D6 和 D7 位置為 1 可選擇外部時鐘模式。推薦使用 100kHz - 4.8MHz、占空比為 30% - 70% 的時鐘頻率，不建議使用低于 100kHz 的時鐘頻率，以免影響 T/H 級的保持電容性能。

四、應用要點

1. 上電復位

上電時，內部上電復位電路使 MAX1061/MAX1063 進入外部時鐘模式并置 INT 為高電平。電源穩定后，內部復位時間為 10μs，在此期間不應進行轉換操作。使用內部參考時，VREF 需要 500μs 才能穩定。

2. 參考電壓選擇

• 內部參考：內部緩沖器為 REF 提供 +2.5V 參考電壓，在單極性輸入時滿量程范圍為 +2.5V，雙極性輸入時為 ±1.25V。可通過 REFADJ 引腳進行小幅度（±100mV）的參考電壓調整，同時需在 REF 和 GND 之間連接至少 4.7μF 的外部電容器，REFADJ 和 GND 之間連接 0.01μF 電容器以減少噪聲和尖峰。
• 外部參考：可將外部參考電壓連接到 REF 或 REFADJ 引腳。連接到 REFADJ 時無需外部緩沖；連接到 REF 時，需將 REFADJ 連接到 VDD 以禁用內部參考緩沖器，且外部參考電源在轉換期間需提供高達 200μA 的直流負載電流，輸出阻抗應小于 10Ω，若參考電源噪聲較大，可在 REF 引腳附近連接 4.7μF 電容器進行旁路。

3. 掉電模式

• 待機模式：供應電流典型值為 850μA，在 WR 的下一個上升沿上電，可快速恢復轉換操作，適用于采樣率低于 250ksps 的應用，能顯著降低功耗。
• 關機模式：關閉所有消耗靜態電流的芯片功能，轉換完成后典型供應電流降至 2μA。WR 的上升沿使器件退出關機模式，但使用 4.7μF 參考旁路電容器時，上電后需等待 500μs 以達到 10 位精度；使用外部參考時，只需等待 50μs。

4. 布局、接地和旁路

為獲得最佳性能，建議使用印刷電路板（PC 板），避免使用繞線配置。模擬和數字走線應分開布局，避免平行布線和數字信號線穿過 ADC 封裝下方。使用單獨的模擬和數字地平面，并通過單點連接（星型接地）。為減少電源噪聲對 ADC 的影響，應在 VDD 和星型接地之間使用 0.1μF 和 4.7μF 的并聯電容器進行旁路，盡量縮短電容引腳長度，若電源噪聲較大，可添加 5Ω 衰減電阻。

五、總結與思考

MAX1061/MAX1063 以其低功耗、高分辨率、靈活的輸入配置和出色的性能，為電子工程師在設計電池供電設備、數據采集系統、工業控制系統等方面提供了優秀的解決方案。但在實際應用中，我們仍需根據具體的應用場景和要求，合理選擇參考電壓、時鐘模式和工作模式，同時注意電路布局和接地，以確保 ADC 能夠發揮最佳性能。你在使用類似的 ADC 時，遇到過哪些挑戰和問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。