MAX110/MAX111：低成本2通道±14位串行ADC的全方位解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）作為連接模擬信號(hào)和數(shù)字世界的橋梁，其性能和特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用。今天，我們聚焦于MAXIM公司的兩款低成本、2通道、±14位串行ADC——MAX110和MAX111，深入了解它們的特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景以及工作原理。

文件下載：MAX111.pdf

一、產(chǎn)品概述

MAX110和MAX111采用內(nèi)部自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)，在無需外部組件的情況下，實(shí)現(xiàn)了14位分辨率并具備超量程能力。其工作電源電流極低，其中MAX110僅為550μA，在掉電模式下可降至4μA，這使得它們非常適合高分辨率的電池供電或遠(yuǎn)程傳感應(yīng)用。此外，快速串行接口簡(jiǎn)化了信號(hào)路由和光隔離，節(jié)省了微控制器引腳，并且兼容SPI?、QSPI?和MICROWIRE?標(biāo)準(zhǔn)。

電源和輸入范圍差異

• MAX110：采用±5V電源供電，可轉(zhuǎn)換-3V至 +3V范圍內(nèi)的差分模擬信號(hào)。
• MAX111：使用單 +5V電源，能轉(zhuǎn)換±1.5V范圍內(nèi)的差分模擬信號(hào)，也可處理0V至 +1.5V范圍內(nèi)的單端信號(hào)。

二、產(chǎn)品特性及應(yīng)用場(chǎng)景

（一）特性亮點(diǎn)

1. 高精度：具備14位分辨率加上符號(hào)和超量程能力，MAX110的線性度為0.03%，MAX111的線性度為0.05%。
2. 低功耗：MAX110的功耗為550μA，MAX111為640μA，掉電電流僅4μA。
3. 高轉(zhuǎn)換速率：最高可達(dá)50次轉(zhuǎn)換/秒。
4. 抗干擾能力強(qiáng)：具有50Hz/60Hz抑制能力，自動(dòng)校準(zhǔn)模式無需外部組件。
5. 封裝多樣：提供16引腳DIP/SO和20引腳SSOP封裝。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

這些特性使得MAX110/MAX111在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如過程控制、稱重秤、面板儀表、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和溫度測(cè)量等。

三、關(guān)鍵參數(shù)解析

（一）絕對(duì)最大額定值

了解器件的絕對(duì)最大額定值對(duì)于保證其安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。例如，VDD到GND的最大電壓為 +6V，VSS到GND（MAX110）的范圍為 +0.3V到 -6V等。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須確保各個(gè)引腳的電壓和電流不超過這些額定值，否則可能會(huì)對(duì)器件造成永久性損壞。

（二）電氣特性

1. 精度相關(guān)：分辨率為14 + POL + OFL位，差分非線性（DNL）小于±2 LSB，無缺失碼分辨率為13 + POL + OFL位。相對(duì)精度方面，不同型號(hào)和輸入電壓范圍有所差異，如MAX110AC/E在 -0.83 x VREF ≤ VIN ≤ 0.83 x VREF范圍內(nèi)，相對(duì)精度為±0.015%。
2. 輸入特性：模擬輸入的差分輸入電壓范圍為 -VREF到 +VREF，絕對(duì)輸入電壓范圍受電源電壓限制。輸入偏置電流最大為500nA，輸入電容為10pF。
3. 參考輸入：參考輸入的差分電壓范圍和絕對(duì)電壓范圍也有明確規(guī)定，參考輸入電流最大為500nA，電容為10pF。
4. 轉(zhuǎn)換時(shí)間：同步轉(zhuǎn)換時(shí)間由控制位CONV1 - CONV4設(shè)置，有10,240個(gè)時(shí)鐘周期/轉(zhuǎn)換（20.48ms）和102,400個(gè)時(shí)鐘周期/轉(zhuǎn)換（204.80ms）兩種可選。過采樣時(shí)鐘頻率范圍為0.25 - 1.25MHz。
5. 數(shù)字輸入輸出：數(shù)字輸入的高電平電壓VIH ≥ 2.4V，低電平電壓VIL ≤ 0.8V，輸入電容為10pF，輸入泄漏電流最大為±1μA。數(shù)字輸出的低電平電壓VOL ≤ 0.4V，高電平電壓VOH ≥ VDD - 0.5V，泄漏電流最大為±10μA，輸出電容為10pF。
6. 電源要求：正電源電壓VDD范圍為4.75 - 5.25V，負(fù)電源電壓VSS（MAX110）范圍為 -4.75 - -5.25V。在不同工作模式下，電源電流有所不同，如連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，MAX110的正電源電流IDD最大為950μA，負(fù)電源電流Iss最大為650μA；掉電模式下，IDD和Iss可降至4 - 10μA。

（三）時(shí)序特性

各項(xiàng)時(shí)序參數(shù)如CS到SCLK的建立時(shí)間和保持時(shí)間、DIN到SCLK的建立時(shí)間和保持時(shí)間、SCLK和XCLK的脈沖寬度、數(shù)據(jù)訪問時(shí)間、SCLK到DOUT的有效延遲以及總線釋放時(shí)間等，都對(duì)ADC的正常工作和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性有著重要影響。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要根據(jù)這些時(shí)序要求來合理安排信號(hào)的時(shí)序關(guān)系。

四、工作原理及操作模式

（一）轉(zhuǎn)換原理

MAX110/MAX111采用一階sigma - delta環(huán)路將低頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為16位串行數(shù)字輸出（14位數(shù)據(jù)位、1位符號(hào)位和1位超量程位）。差分輸入電壓先通過精密電壓 - 電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電流，然后進(jìn)行積分并輸入到比較器。比較器輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)上下計(jì)數(shù)器和一個(gè)1位DAC，當(dāng)DAC輸出反饋到積分器輸入時(shí)，sigma - delta環(huán)路完成。在轉(zhuǎn)換過程中，比較器輸出是一個(gè)VREF到VREF+的方波，其占空比與輸入到ADC的差分輸入電壓的大小成正比。上下計(jì)數(shù)器以過采樣時(shí)鐘速率從比較器輸入數(shù)據(jù)，并對(duì)脈沖寬度調(diào)制（PWM）方波進(jìn)行平均，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)果。

（二）過采樣時(shí)鐘選擇

XCLK內(nèi)部連接到一個(gè)時(shí)鐘分頻網(wǎng)絡(luò)，其輸出為ADC的過采樣時(shí)鐘fOSC。可以選擇外部時(shí)鐘模式或內(nèi)部RC振蕩器模式來提供過采樣時(shí)鐘：

• 外部時(shí)鐘模式：將RCSEL連接到GND，XCLK接受一個(gè)TTL/CMOS電平的時(shí)鐘信號(hào)。
• RC振蕩器模式：將RCSEL連接到VDD，啟用內(nèi)部RC振蕩器，其輸出連接到XCLK。在使用內(nèi)部RC振蕩器時(shí)，應(yīng)盡量減小XCLK上的電容負(fù)載。

（三）ADC操作

輸出數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，先輸出符號(hào)位（POL），接著是超量程位（OR），然后是14位數(shù)據(jù)位（MSB優(yōu)先）。MAX110和MAX111在不同的電源和輸入電壓范圍內(nèi)工作，并且都提供了超量程位（OFL）來檢測(cè)輸入電壓是否超過參考電壓。

（四）數(shù)字接口和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)

通過將CS拉低并在SCLK上施加串行時(shí)鐘，可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱蠭/O移位寄存器中。ADC的輸出數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿時(shí)鐘輸出，應(yīng)在SCLK的上升沿讀取；輸入數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿時(shí)鐘輸入。當(dāng)CS返回高電平且輸入控制字的MSB（NO - OP）為1時(shí)，開始新的轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中，CS必須保持高電平，否則可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換停止和輸出數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

（五）控制字功能

16位控制字用于控制ADC的各種功能，其中NO - OP位控制控制字的傳輸和新轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)。其他位如CONV1 - CONV4用于控制轉(zhuǎn)換時(shí)間，DV2、DV4用于控制XCLK到過采樣時(shí)鐘的比率，CHS用于選擇輸入通道，CAL用于選擇增益校準(zhǔn)模式，NUL用于選擇內(nèi)部偏移歸零模式，PDX和PD用于控制電源掉電模式。

（六）電源掉電模式

PD和PDX位控制ADC的電源掉電模式。當(dāng)PD為高電平時(shí)，除了RC振蕩器外，所有模擬電路的電源被移除；當(dāng)PDX為高電平時(shí)，RC振蕩器的電源被移除。當(dāng)PD和PDX都為高電平，或PD為高電平且RCSEL為低電平時(shí)，電源電流可降至4μA。在使用電源掉電模式時(shí)，需要注意避免因RC振蕩器停止而導(dǎo)致無法啟動(dòng)新轉(zhuǎn)換的情況。

五、總結(jié)

MAX110和MAX111以其低成本、低功耗、高精度和豐富的功能特性，為電子工程師在設(shè)計(jì)高分辨率、電池供電或遠(yuǎn)程傳感應(yīng)用時(shí)提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。通過深入了解它們的參數(shù)、工作原理和操作模式，我們可以更好地利用這些器件，設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)的電路系統(tǒng)。大家在實(shí)際應(yīng)用中，是否遇到過類似ADC在特定場(chǎng)景下的性能優(yōu)化問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。