深入剖析MAX1167/MAX1168：高性能多通道16位ADC的卓越之選

在電子設計領域，模擬到數字的轉換是一項關鍵技術，對于需要精確數據采集和處理的應用來說，選擇一款合適的模數轉換器（ADC）至關重要。MAX1167/MAX1168作為Maxim Integrated Products推出的多通道、16位、200ksps模數轉換器，憑借其出色的性能和豐富的特性，成為眾多工程師的理想之選。今天，我們就來深入了解一下這兩款ADC的特點、應用場景以及設計要點。

文件下載：MAX1167.pdf

一、器件概述

MAX1167/MAX1168是低功耗、多通道、16位的模數轉換器，采用逐次逼近型ADC架構，集成了+4.096V參考電壓、參考緩沖器、內部振蕩器、自動掉電功能以及高速SPI?/QSPI?/MICROWIRE?兼容接口。它們采用單+5V模擬電源供電，并配備獨立的數字電源，可直接與+2.7V至+5.5V的數字邏輯接口。

通道差異

MAX1167包含一個4通道輸入多路復用器，而MAX1168最多可接受8個模擬輸入。此外，MAX1168還具備DSP幀同步輸入和輸出功能，簡化了數字信號處理器（DSP）發起的轉換操作，同時提供數據位傳輸輸入，可選擇8位或16位寬的數據傳輸模式。

低功耗特性

這兩款ADC在功耗方面表現出色。在使用外部參考電壓且采樣率為200ksps時，僅消耗3.6mA電流（AVDD = DVDD = +5V）。AutoShutdown?功能可將采樣率降至10ksps時，電源電流降至185μA，在更低采樣率下甚至可降至10μA以下。

封裝與溫度范圍

MAX1167采用16引腳QSOP封裝，MAX1168采用24引腳QSOP封裝，均適用于商業（0°C至+70°C）和擴展（-40°C至+85°C）溫度范圍。同時，還提供MAX1168評估套件，方便工程師進行評估和開發。

二、應用場景

MAX1167/MAX1168憑借其高性能和低功耗的特點，廣泛應用于多個領域，包括但不限于以下幾個方面：

• 電機控制：精確的模擬信號轉換有助于實現電機的精確控制，提高電機的性能和效率。
• 工業過程控制：在工業自動化系統中，對各種模擬信號進行準確采集和處理，確保生產過程的穩定和可靠。
• 工業I/O模塊：作為數據采集和傳輸的核心部件，為工業設備提供可靠的接口。
• 數據采集系統：用于采集各種傳感器的數據，如溫度、壓力、流量等，為數據分析和決策提供支持。
• 熱電偶測量：高精度的轉換能力確保熱電偶測量的準確性，廣泛應用于溫度監測和控制領域。
• 加速度計測量：對加速度信號進行精確轉換，為運動監測和控制提供數據支持。

三、關鍵特性

高分辨率與精度

• 16位分辨率：確保了高精度的模擬信號轉換，無丟失碼，能夠滿足大多數應用對數據精度的要求。
• 相對精度：INL（積分非線性）最大為±3 LSB，保證了轉換結果的準確性。
• 差分非線性：DNL（差分非線性）在16位模式下，最大為+1.75 LSB，確保了轉換的線性度。

靈活的電源與邏輯電平

• 單電源供電：采用單+5V模擬電源供電，簡化了電源設計。
• 可調邏輯電平：數字電源電壓范圍為+2.7V至+5.25V，可直接與不同電平的數字邏輯接口。

豐富的輸入特性

• 輸入電壓范圍：輸入電壓范圍為0至VREF，可根據實際需求選擇內部（+4.096V）或外部（+3.8V至AVDD）參考電壓。
• 內部跟蹤/保持：具有4MHz的輸入帶寬，能夠快速準確地采集模擬信號。
• 多通道輸入：MAX1167提供4通道輸入，MAX1168提供8通道輸入，滿足不同應用對多通道采集的需求。

高速串行接口

• SPI/QSPI/MICROWIRE兼容：支持高速串行通信，方便與微處理器或其他數字設備進行連接。
• DSP接口：MAX1168具備DSP幀同步輸入和輸出功能，可直接與DSP進行通信，實現高效的數據采集和處理。

低功耗設計

• 多種功耗模式：提供多種功耗模式，包括正常模式、自動掉電模式和完全掉電模式，可根據實際應用需求進行選擇，降低功耗。
• 低靜態電流：在掉電模式下，靜態電流低至0.6μA，有效延長電池使用壽命。

四、電氣特性

直流精度

• 分辨率：16位，確保了高精度的模擬信號轉換。
• 相對精度：INL最大為±3 LSB，保證了轉換結果的準確性。
• 差分非線性：DNL最大為+1.75 LSB，確保了轉換的線性度。
• 偏移誤差：最大為±10mV（%FSR），保證了零點的準確性。
• 增益誤差：最大為±0.2%，保證了增益的準確性。

動態特性

• 信號噪聲比（SNR）：典型值為88.5dB，確保了信號的質量。
• 總諧波失真（THD）：最大為-88dB，保證了信號的純度。
• 無雜散動態范圍（SFDR）：典型值為101dB，確保了信號的動態范圍。
• 滿功率帶寬：-3dB點為4MHz，能夠滿足高速信號采集的需求。

轉換速率

• 轉換時間：內部時鐘模式下，單轉換時間最大為7.07μs；外部時鐘模式下，單轉換時間最大為3.75μs。
• 采集時間：外部時鐘模式下，采集時間為729ns。
• 串行時鐘頻率：外部時鐘模式下，串行時鐘頻率最大為4.8MHz。

五、引腳說明

MAX1167和MAX1168的引腳功能有所不同，下面分別進行介紹：

MAX1167引腳說明

MAX1168引腳說明

六、工作模式

SPI/QSPI/MICROWIRE模式

在SPI/QSPI/MICROWIRE模式下，CS的下降沿喚醒模擬電路，允許SCLK將數據時鐘輸入。采集和轉換由SCLK啟動，轉換結果以單極串行格式在DOUT上可用。在8位傳輸模式下，DOUT在SCLK的第8個下降沿開始輸出數據（MSB優先）；在16位傳輸模式下，DOUT在SCLK的第16個下降沿開始輸出數據。

DSP模式

在外部時鐘模式下，MAX1168還可與DSP進行接口。在DSP模式下，來自DSP的幀同步脈沖啟動由SCLK驅動的轉換。MAX1168格式化幀同步脈沖，通知DSP轉換結果以MSB優先、單極、串行數據格式在DOUT上可用。

七、設計要點

模擬輸入

• 輸入采樣架構：ADC的輸入采樣架構采用跟蹤/保持（T/H）電路，在跟蹤模式下，模擬信號被采集到內部保持電容上；在保持模式下，T/H開關打開，電容式數模轉換器（DAC）對模擬輸入進行采樣。
• 采集時間：采集時間（tACQ）是設備采集信號所需的最大時間，可使用公式(tACQ = 11(RS + RIN + RDS(ON)) × 45 pF + 0.3 mu s)計算，其中(RIN = 340 Omega)，RS為輸入信號的源阻抗，(RDS(ON) = 60 Omega)，且tACQ不得小于729ns。當源阻抗小于200Ω時，對ADC性能影響不大。
• 輸入帶寬：ADC的輸入跟蹤電路具有4MHz的小信號帶寬，可實現高速瞬態事件的數字化，并通過欠采樣技術測量帶寬超過ADC采樣率的周期性信號。為避免不需要的高頻信號混疊到感興趣的頻帶中，需使用抗混疊濾波。
• 模擬輸入保護：內部保護二極管將模擬輸入鉗位到AVDD或AGND，允許輸入在(AGND - 0.3V)至(AVDD + 0.3V)范圍內擺動而不損壞設備。如果模擬輸入超過電源電壓300mV，需將輸入電流限制在10mA以內。

數字接口

• SPI/QSPI/MICROWIRE接口：MAX1167/MAX1168采用SPI/QSPI/MICROWIRE兼容的3線串行接口，包括數字輸入CS、SCLK和DIN，以及輸出DOUT和EOC。
• DSP接口：MAX1168在外部時鐘模式下具備DSPR輸入和DSPX輸出，用于與DSP進行通信。在不使用DSP接口模式時，將DSPR連接到DVDD，DSPX不連接。
• 命令/配置/控制寄存器：通過命令/配置/控制寄存器可對設備進行配置和控制，包括通道選擇、掃描模式、電源模式和時鐘模式等。

電源管理

• 電源模式：MAX1167/MAX1168提供多種電源模式，包括正常模式、自動掉電模式和完全掉電模式。可通過設置命令/配置/控制寄存器中的相應位來選擇電源模式。
• 參考電壓：可選擇內部（+4.096V）或外部（+3.8V至AVDD）參考電壓。在內部參考模式下，需注意參考電壓的喚醒和穩定時間。

八、總結

MAX1167/MAX1168作為高性能的多通道16位ADC，具有高分辨率、低功耗、靈活的電源和邏輯電平、豐富的輸入特性以及高速串行接口等優點，適用于各種需要精確數據采集和處理的應用場景。在設計過程中，需要注意模擬輸入、數字接口和電源管理等方面的要點，以確保設備的性能和穩定性。希望本文對電子工程師在選擇和使用MAX1167/MAX1168時有所幫助。你在實際應用中是否遇到過類似ADC的設計挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。