MAX148/MAX149：低功耗8通道10位串行ADC的深度解析

在電子設計領域，模擬到數字的轉換是一個關鍵環節，而ADC（模擬數字轉換器）的性能直接影響著整個系統的精度和效率。今天，我們就來深入探討一下MAX148/MAX149這兩款低功耗、8通道、串行10位ADC，看看它們在實際應用中能為我們帶來哪些優勢。

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一、產品概述

MAX148/MAX149是兩款高性能的數據采集系統，它們將8通道多路復用器、高帶寬跟蹤/保持電路和串行接口集于一身，具備高轉換速度和低功耗的特點。這兩款ADC可以在單電源+2.7V至+5.25V的電壓范圍內工作，采樣速率最高可達133ksps。其模擬輸入支持軟件配置，可實現單極性/雙極性以及單端/差分操作。此外，它們還擁有4線串行接口，能直接與SPI/QSPI和MICROWIRE設備連接，無需外部邏輯。

二、產品特性

1. 電源與輸入特性

• 寬電源范圍：支持+2.7V至+5.25V的單電源供電，適應多種應用場景。
• 多通道輸入：提供8通道單端或4通道差分輸入，滿足不同的信號采集需求。

  2. 參考電壓

• 內部參考：MAX149具備內部2.5V參考電壓，而MAX148則需要外部參考電壓。
• 參考緩沖器：兩款器件都配備了參考緩沖放大器，電壓調整范圍為±1.5%。

  3. 低功耗設計

• 不同速率下的低功耗：在133ksps、3V電源下，電流僅為1.2mA；在1ksps、3V電源下，電流為54μA；在掉電模式下，電流低至1μA。
• 自動關機功能：可以通過編程實現轉換結束后自動關機，訪問串行接口時會自動上電，快速開啟時間允許在轉換間隔期間關閉器件，有效降低功耗。

  4. 接口兼容性

• 4線串行接口：與SPI/QSPI/MICROWIRE/TMS320兼容，方便與各種微處理器和數字信號處理器連接。

  5. 封裝形式

• 多種封裝可選：提供20引腳PDIP和20引腳SSOP封裝，便于不同的PCB布局設計。

三、電氣特性

1. 直流精度

• 分辨率：10位分辨率，能夠提供較高的測量精度。
• 相對精度：MAX14_A型號的積分非線性（INL）為±0.5 LSB，MAX14_B型號為±1.0 LSB。
• 差分非線性：在整個溫度范圍內無丟碼現象，差分非線性（DNL）為±1 LSB。

  2. 動態特性

• 信號質量：在10kHz正弦波輸入、0至2.500VP - P、133ksps、2.0MHz外部時鐘、雙極性輸入模式下，信噪失真比（SINAD）為66dB，總諧波失真（THD）低至 - 70dB，無雜散動態范圍（SFDR）為70dB。
• 帶寬：小信號帶寬為2.25MHz，全功率帶寬為1.0MHz。

  3. 轉換速率

• 內部時鐘：SHDN未連接時，轉換時間為5.5 - 7.5μs；SHDN連接VDD時，轉換時間為35 - 65μs。
• 外部時鐘：在2MHz外部時鐘、12個時鐘/轉換周期的條件下，轉換時間為6μs。

四、工作原理

1. 偽差分輸入

ADC的模擬比較器采用偽差分輸入架構。在單端模式下，IN + 內部連接到CH0 - CH7，IN - 連接到COM；在差分模式下，IN + 和IN - 從CH0/CH1、CH2/CH3、CH4/CH5、CH6/CH7這幾對通道中選擇。在差分模式下，只有IN + 的信號被采樣，IN - 必須在轉換期間相對于AGND保持穩定在±0.5 LSB（最佳結果為±0.1 LSB）。

2. 跟蹤/保持電路

T/H電路在8位控制字的第5位移入后的下降沿進入跟蹤模式，在第8位移入后的下降沿進入保持模式。其獲取輸入信號的時間取決于輸入電容的充電速度，如果輸入信號源阻抗較高，獲取時間會延長，需要在轉換之間留出更多時間。獲取時間tACQ的計算公式為[t{ACQ}=7 timesleft(RS{S}+R{IN}right) × 16 pF]，其中(R{IN}=9 k Omega) ，RS為輸入信號的源阻抗，tACQ不小于1.5μs。

五、應用信息

1. 啟動轉換

通過將控制字節時鐘輸入到DIN來啟動轉換。CS置低后，SCLK的每個上升沿將DIN的一位時鐘輸入到MAX148/MAX149的內部移位寄存器。CS下降后，第一個到達的邏輯“1”位定義控制字節的最高有效位（MSB）。

2. 軟件接口

在外部時鐘模式下，可通過以下步驟實現簡單的軟件接口：

• 設置控制字節TB1，格式為1XXXXX11二進制，其中X表示所選的特定通道和轉換模式。
• 使用CPU的通用I/O線將CS置低。
• 發送TB1并同時接收字節RB1，忽略RB1。
• 發送全零字節（$00十六進制）并同時接收字節RB2。
• 再次發送全零字節（$00十六進制）并同時接收字節RB3。
• 將CS置高。

  3. 時鐘模式

• 外部時鐘模式：外部時鐘不僅用于數據的移入和移出，還驅動模數轉換步驟。SSTRB在控制字節的最后一位之后脈沖高電平一個時鐘周期，連續逼近位決策在接下來的12個SCLK下降沿出現在DOUT。
• 內部時鐘模式：MAX148/MAX149內部生成自己的轉換時鐘，SSTRB在轉換開始時置低，轉換完成時置高。轉換過程中，SCLK應保持低電平以獲得最佳噪聲性能。

六、電源管理

1. 上電復位

上電時，如果SHDN未拉低，內部上電復位電路會使MAX148/MAX149在內部時鐘模式下激活，SSTRB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。

2. 參考緩沖器補償

SHDN引腳除了具有關機功能外，還可選擇內部或外部補償。外部補償需要在VREF引腳使用4.7μF電容，可確保參考緩沖器穩定，但會增加上電時間；內部補償無需外部電容，上電時間最短。

3. 掉電模式

• 軟件掉電：通過控制字節的PD1和PD0位選擇全功率掉電或快速掉電模式。軟件掉電時，ADC在轉換完成后進入低靜態電流狀態。
• 硬件掉電：將SHDN拉低可使轉換器進入硬件掉電狀態，轉換停止。SHDN還可控制內部時鐘頻率。

七、參考電壓

1. 內部參考（MAX149）

MAX149的內部參考電壓為2.5V，單極性輸入時滿量程范圍為2.5V，雙極性輸入時為±1.25V。內部參考電壓可通過電路調整±1.5%。

2. 外部參考

外部參考可連接到VREF或REFADJ引腳。在VREF引腳，外部參考需提供高達350μA的直流負載電流，輸出阻抗應不超過10Ω。使用REFADJ輸入可無需對外部參考進行緩沖。

八、布局與接地

為了獲得最佳性能，建議使用PCB板，避免使用繞線板。電路板布局應確保數字和模擬信號線相互分離，避免模擬和數字（特別是時鐘）線相互平行或數字線位于ADC封裝下方。建立單點模擬接地（星形接地點），將所有其他模擬接地和DGND連接到該星形接地。

九、接口應用

1. QSPI接口

MAX148/MAX149可通過QSPI接口與微處理器連接，最高支持2MHz的外部時鐘頻率。QSPI電路可對八個通道進行轉換，并將結果存儲在內存中，減輕CPU負擔。

2. TMS320LC3x接口

通過特定的配置和步驟，可將MAX148/MAX149與TMS320LC3x數字信號處理器連接，實現數據采集和轉換。

總之，MAX148/MAX149憑借其低功耗、多通道、高分辨率等特性，在便攜式數據記錄、數據采集、醫療儀器、電池供電儀器等領域具有廣泛的應用前景。在實際設計中，工程師們可以根據具體需求合理選擇參考電壓、時鐘模式和掉電模式，優化系統性能，降低功耗。大家在使用過程中是否遇到過什么問題呢？歡迎在評論區分享交流。