MAX19191：超低功耗 10Msps 8 位 ADC 的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接現(xiàn)實(shí)世界模擬信號(hào)與數(shù)字系統(tǒng)的橋梁。今天，我們聚焦于 Maxim 公司的一款杰出 ADC——MAX19191，它以超低功耗、出色的動(dòng)態(tài)性能和小巧的尺寸，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。

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一、產(chǎn)品概述

MAX19191 是一款超低功耗、8 位、10Msps 的 ADC。它具有全差分寬帶跟蹤保持（T/H）輸入，帶寬達(dá) 440MHz，能接受全差分或單端信號(hào)。在 1.875MHz 輸入頻率和 10Msps 采樣率下，典型的信噪失真比（SINAD）為 48.6dB，功耗僅 15.3mW。該 ADC 的模擬電源電壓范圍為 2.7V 至 3.6V，數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器由 1.8V 至 3.6V 獨(dú)立電源供電。此外，它還具備三種低功耗模式，可在空閑時(shí)段節(jié)省功耗。其出色的動(dòng)態(tài)性能、超低功耗和小尺寸特性，使其非常適合成像、儀器儀表和數(shù)字通信等應(yīng)用。

內(nèi)部 1.024V 精密帶隙基準(zhǔn)將 ADC 的滿量程范圍設(shè)置為 ±0.512V，靈活的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)允許使用內(nèi)部基準(zhǔn)或接受外部基準(zhǔn)，以滿足更高精度的應(yīng)用需求。

二、關(guān)鍵特性

（一）超低功耗

• 正常工作模式：在 10Msps 采樣率下，功耗僅 15.3mW。
• 關(guān)機(jī)模式：功耗低至 2μW，極大地節(jié)省了能源。

（二）出色的動(dòng)態(tài)性能

• 信噪比（SNR）：在 (f_{IN}=1.875 MHz) 時(shí)，SNR 達(dá)到 48.6dB。
• 無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）：在 (f_{IN}=1.875 MHz) 時(shí)，SFDR 為 70dBc。

（三）電源與輸入特性

• 電源：2.7V 至 3.6V 單模擬電源，1.8V 至 3.6V TTL/CMOS 兼容數(shù)字輸出。
• 輸入：全差分或單端模擬輸入，內(nèi)部/外部基準(zhǔn)可選。

（四）輸出與封裝

• 輸出：多路復(fù)用的 CMOS 兼容三態(tài)輸出。
• 封裝：采用 28 引腳薄型 QFN 封裝，尺寸為 5mm × 5mm。

三、電氣特性

（一）直流精度

• 分辨率：INL 最大為 ±1.00 LSB，DNL 典型為 ±0.12 LSB。
• 增益誤差：排除 REFP - REFN 誤差后，最大為 ±2%。
• 電源抑制：電源電壓 ±5% 變化時(shí)，偏移最大為 ±0.2%，增益最大為 ±0.05%。

（二）轉(zhuǎn)換速率

• 時(shí)鐘頻率：(f_{CLK}) 為 10MHz。
• 數(shù)據(jù)延遲：時(shí)鐘上升沿到輸出數(shù)據(jù)有效時(shí)間為 1 - 8.5ns。

（三）動(dòng)態(tài)性能

• SNR：在不同輸入頻率下保持較好性能，如 (f_{IN}=1.875MHz) 時(shí)為 48.6dB。
• SINAD：(f_{IN}=1.875MHz) 時(shí)為 47dB。
• SFDR：(f_{IN}=1.875MHz) 時(shí)為 70.0dBc。

（四）內(nèi)部基準(zhǔn)

• REFP 輸出電壓：典型為 0.256V。
• REFN 輸出電壓：與 VCOM 相關(guān)。
• COM 輸出電壓：為 VDD/2 ±0.15V。

四、典型工作特性

通過(guò)一系列圖表展示了 MAX19191 在不同條件下的性能表現(xiàn)，如不同輸入頻率、采樣率、占空比等對(duì) SNR、SINAD、SFDR 等指標(biāo)的影響。這些特性曲線有助于工程師在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)具體需求選擇合適的工作參數(shù)。

五、引腳描述

MAX19191 共有 28 個(gè)引腳，各引腳功能明確：

• 模擬輸入引腳：IN+ 和 IN- 用于輸入模擬信號(hào)，單端操作時(shí)可按特定方式連接。
• 電源引腳：VDD 為轉(zhuǎn)換器電源輸入，OVDD 為輸出驅(qū)動(dòng)器電源輸入，需進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐月?a href="http://www.3532n.com/tags/電容/" target="_blank">電容配置。
• 數(shù)字輸出引腳：D0 - D7 為三態(tài)數(shù)字輸出，DVAL 為數(shù)據(jù)有效指示。
• 控制引腳：PD0 和 PD1 用于控制電源模式。

六、詳細(xì)工作原理

（一）流水線架構(gòu)

采用七級(jí)全差分流水線架構(gòu)，每半個(gè)時(shí)鐘周期，輸入采樣信號(hào)在流水線各級(jí)逐步處理。包括輸出鎖存延遲，總時(shí)鐘周期延遲為 5 個(gè)時(shí)鐘周期。在每一級(jí)，閃存 ADC 將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼，DAC 將數(shù)字化結(jié)果轉(zhuǎn)換回模擬電壓并與原始輸入信號(hào)相減，誤差信號(hào)乘以 2 后傳遞到下一級(jí)，經(jīng)過(guò)數(shù)字誤差校正確保無(wú)丟失代碼。

（二）輸入跟蹤保持電路

在跟蹤模式下，通過(guò)一系列開(kāi)關(guān)操作對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣和保持。寬輸入帶寬的 T/H 放大器使 MAX19191 能夠跟蹤和采樣高頻模擬輸入。ADC 輸入可采用差分或單端驅(qū)動(dòng)，為獲得最佳性能，需匹配 IN+ 和 IN- 的阻抗，并將共模電壓設(shè)置為電源電壓的一半（VDD/2）。

（三）模擬輸入與基準(zhǔn)配置

MAX19191 的滿量程模擬輸入范圍為 ±VREF，共模輸入范圍為 VDD/2 ±0.2V。提供三種基準(zhǔn)操作模式：

• 內(nèi)部基準(zhǔn)模式：將 REFIN 連接到 VDD 或不連接，VREF 內(nèi)部生成，COM、REFP 和 REFN 為低阻抗輸出。
• 緩沖外部基準(zhǔn)模式：在 REFIN 施加 1.024V ±10% 的電壓，VREF 內(nèi)部生成，各引腳同樣為低阻抗輸出。
• 無(wú)緩沖外部基準(zhǔn)模式：將 REFIN 連接到 GND，COM、REFP 和 REFN 由外部基準(zhǔn)源驅(qū)動(dòng)。

（四）時(shí)鐘輸入

CLK 接受 CMOS 兼容信號(hào)電平，要求時(shí)鐘抖動(dòng)低、上升和下降時(shí)間快（<2ns）。采樣發(fā)生在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿，時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì) SNR 性能有重要影響，尤其在欠采樣應(yīng)用中。時(shí)鐘輸入應(yīng)視為模擬輸入，遠(yuǎn)離其他模擬輸入或數(shù)字信號(hào)線。

（五）系統(tǒng)時(shí)序要求

輸入數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿采樣，5 個(gè)時(shí)鐘周期后，輸出數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿更新。DVAL 指示信號(hào)跟隨 CLK，典型延遲時(shí)間為 6ns，輸出數(shù)據(jù)有效時(shí)保持高電平。

（六）數(shù)字輸出數(shù)據(jù)

D0 - D7 和 DVAL 與 TTL/CMOS 邏輯兼容，數(shù)字輸出編碼為偏移二進(jìn)制。為避免數(shù)字電流反饋到模擬部分影響動(dòng)態(tài)性能，數(shù)字輸出的電容負(fù)載應(yīng)盡可能低（< 15 pF），可通過(guò)添加 100Ω 電阻來(lái)改善性能。

（七）電源模式

MAX19191 有四種電源模式，由 PD0 和 PD1 控制：

• 關(guān)機(jī)模式：關(guān)閉所有模擬部分，輸出置為三態(tài)，喚醒時(shí)間通常為 20μs。
• 待機(jī)模式：參考和時(shí)鐘分配電路供電，流水線 ADC 未供電，輸出為三態(tài)，喚醒時(shí)間為 5.5μs。
• 空閑模式：流水線 ADC、參考和時(shí)鐘分配電路供電，但輸出強(qiáng)制為三態(tài)，喚醒時(shí)間為 5ns。
• 正常工作模式：所有部分正常供電。

七、應(yīng)用信息

（一）電路設(shè)計(jì)

提供了多種應(yīng)用電路示例，如 DC 耦合差分輸入驅(qū)動(dòng)器、變壓器耦合輸入驅(qū)動(dòng)、單端交流耦合輸入信號(hào)電路等。這些電路可根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

（二）參考驅(qū)動(dòng)

• 緩沖外部參考驅(qū)動(dòng)：允許對(duì)參考電壓進(jìn)行更多控制，可多個(gè)轉(zhuǎn)換器共用一個(gè)參考源。
• 無(wú)緩沖外部參考驅(qū)動(dòng)：可精確控制參考電壓，同樣支持多個(gè)轉(zhuǎn)換器共用參考源。

（三）接地、旁路和電路板布局

MAX19191 需要高速電路板布局設(shè)計(jì)技術(shù)，旁路電容應(yīng)盡可能靠近器件，采用多層板并分離接地和電源平面，將模擬地和數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)地分開(kāi)，通過(guò)單點(diǎn)連接，避免數(shù)字地電流干擾模擬地。同時(shí)，高速數(shù)字信號(hào)走線應(yīng)遠(yuǎn)離敏感模擬走線，減少串?dāng)_。

八、參數(shù)定義

（一）靜態(tài)參數(shù)

• 積分非線性（INL）：實(shí)際傳遞函數(shù)值與直線的偏差。
• 差分非線性（DNL）：實(shí)際步長(zhǎng)與理想 1LSB 的差值。
• 偏移誤差：測(cè)量的過(guò)渡點(diǎn)與理想過(guò)渡點(diǎn)的偏差。
• 增益誤差：去除偏移誤差后，測(cè)量的過(guò)渡點(diǎn)與理想過(guò)渡點(diǎn)的偏差。

（二）動(dòng)態(tài)參數(shù)

• 孔徑抖動(dòng)：采樣延遲的樣本間變化。
• 孔徑延遲：采樣時(shí)鐘上升沿與實(shí)際采樣時(shí)刻的時(shí)間間隔。
• 信噪比（SNR）：RMS 信號(hào)與 RMS 噪聲的比值。
• 信噪失真比（SINAD）：RMS 信號(hào)與包含所有頻譜分量的 RMS 噪聲的比值。
• 有效位數(shù)（ENOB）：衡量 ADC 在特定輸入頻率和采樣率下的動(dòng)態(tài)性能。
• 總諧波失真（THD）：輸入信號(hào)前五個(gè)諧波的 RMS 和與基波的比值。
• 三次諧波失真（HD3）：三次諧波分量的 RMS 值與基波輸入信號(hào)的比值。
• 無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）：基波 RMS 振幅與次大雜散分量 RMS 值的比值。
• 互調(diào)失真（IMD）：兩個(gè)輸入音調(diào)存在時(shí)，互調(diào)產(chǎn)物的總功率與總輸入功率的比值。
• 三階互調(diào)（IM3）：兩個(gè)輸入音調(diào)存在時(shí)，最差三階互調(diào)產(chǎn)物的功率與任一輸入音調(diào)輸入功率的比值。
• 電源抑制：電源電壓 ±5% 變化時(shí)，偏移和增益誤差的變化。
• 小信號(hào)帶寬：小 -20dBFS 模擬輸入信號(hào)下，數(shù)字化轉(zhuǎn)換結(jié)果幅度下降 -3dB 時(shí)的輸入頻率。
• 全功率帶寬：大 -0.5dBFS 模擬輸入信號(hào)下，數(shù)字化轉(zhuǎn)換結(jié)果幅度下降 -3dB 時(shí)的輸入頻率。

MAX19191 憑借其超低功耗、出色的動(dòng)態(tài)性能和豐富的功能特性，為電子工程師在設(shè)計(jì)成像、儀器儀表和數(shù)字通信等應(yīng)用時(shí)提供了一個(gè)非常優(yōu)秀的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體需求合理選擇工作模式、配置電路和進(jìn)行電路板布局，以充分發(fā)揮 MAX19191 的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用類似 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)。