MAX146/MAX147：低功耗8通道12位串行ADC的技術解析與應用指南

在電子設計領域，模擬 - 數字轉換器（ADC）是連接現實世界模擬信號與數字系統的關鍵橋梁。今天，我們將深入探討MAXIM公司的MAX146/MAX147 12位數據采集系統，這兩款ADC在低功耗、多通道采集等方面表現出色，適用于眾多應用場景。

文件下載：MAX147.pdf

一、產品概述

MAX146/MAX147將8通道多路復用器、高帶寬跟蹤/保持電路和串行接口相結合，具備高轉換速度和低功耗的特點。其中，MAX146采用+2.7V至+3.6V單電源供電，MAX147則支持+2.7V至+5.25V單電源供電。它們的模擬輸入可通過軟件配置為單極性/雙極性以及單端/差分操作模式。

1. 關鍵特性

• 多通道輸入：提供8通道單端或4通道差分輸入，滿足多樣化的信號采集需求。
• 單電源操作：不同的電源范圍適應不同的應用場景，增強了產品的靈活性。
• 低功耗：在不同采樣率下，電流消耗低，例如在133ksps、3V供電時為1.2mA，1ksps、3V供電時為54μA，掉電模式下僅為1μA。
• 兼容多種接口：4線串行接口與SPI?/QSPI?和MICROWIRE?設備直接連接，無需外部邏輯，還可直接連接TMS320系列數字信號處理器。
• 軟件可配置：輸入模式可通過軟件靈活配置，方便適應不同的應用需求。
• 多種封裝形式：提供20引腳DIP和SSOP封裝，便于不同的PCB布局設計。

二、電氣特性

1. 直流精度

• 分辨率：12位分辨率，能夠提供較為精確的數字輸出。
• 相對精度：不同型號的INL（積分非線性）有所差異，如MAX14_A為±0.5 LSB，MAX14_B為±1.0 LSB，MAX147C為±2.0 LSB。
• 無漏碼：保證了12位的無漏碼性能，提高了數據的準確性。
• 差分非線性：DNL（差分非線性）在±1.0 LSB以內，確保了轉換的線性度。
• 偏移誤差和增益誤差：偏移誤差和增益誤差都在一定范圍內，并且增益溫度系數為±0.25 ppm/°C，保證了在不同溫度下的穩定性。

2. 動態特性

• 信號 - 噪聲 + 失真比（SINAD）：MAX14_A/MAX14_B為70 - 73 dB，MAX147C為73 dB，反映了信號的質量。
• 總諧波失真（THD）：高達-88 dB，減少了諧波對信號的影響。
• 無雜散動態范圍（SFDR）：MAX14_A/MAX14_B為80 - 90 dB，MAX147C為90 dB，保證了信號的純凈度。
• 通道間串擾：在65kHz、2.500V p - p時為 - 85 dB，降低了通道間的干擾。
• 帶寬：小信號帶寬為2.25 MHz，全功率帶寬為1.0 MHz，能夠處理較高頻率的信號。

3. 轉換速率

轉換時間根據不同的時鐘模式和條件有所不同，例如內部時鐘、SHDN = FLOAT時為5.5 - 7.5 μs，內部時鐘、SHDN = VDD時為35 - 65 μs，外部時鐘 = 2MHz、12時鐘/轉換時為6 μs。

三、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和CH6/CH7中選擇。在轉換過程中，信號在IN+采樣，IN - 需保持穩定，可通過連接0.1μF電容到AGND來實現。

2. 跟蹤/保持（T/H）

T/H在8位控制字的第5位移入后的下降沿進入跟蹤模式，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與輸入電容的充電速度有關，計算公式為 (t_{ACQ} = 9 times (RS + R{IN}) times 16 pF) ，其中 (R_{IN}=9 k Omega) ， (RS) 為輸入信號的源阻抗，且 (t{ACQ}) 不小于1.5μs。

3. 輸入帶寬

ADC的輸入跟蹤電路具有2.25MHz的小信號帶寬，可通過欠采樣技術對高速瞬態事件進行數字化處理，但為避免高頻信號混疊，建議使用抗混疊濾波。

4. 模擬輸入保護

內部保護二極管將模擬輸入鉗位在VDD和AGND之間，允許通道輸入引腳在AGND - 0.3V至VDD + 0.3V范圍內擺動而不損壞，但為保證滿量程附近的準確轉換，輸入不應超過VDD 50mV或低于AGND 50mV。

四、操作模式

1. 控制字節

通過向DIN寫入控制字節來啟動轉換，控制字節格式包含START、SEL2 - SEL0、UNI/BIP、SGL/DIF、PD1和PD0等位，用于選擇通道、轉換模式、時鐘模式和電源模式。

2. 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后脈沖高電平一個時鐘周期，后續12個SCLK下降沿輸出轉換結果。當CS為高電平時，SSTRB和DOUT進入高阻態。
• 內部時鐘模式：MAX146/MAX147內部生成轉換時鐘，SSTRB在轉換開始時變低，轉換完成時變高。轉換過程中，數據存儲在內部寄存器中，轉換完成后可隨時通過SCLK讀出。CS不影響內部時鐘模式下已開始的轉換。

3. 數據幀

CS下降沿不啟動轉換，DIN的第一個邏輯高電平被解釋為起始位，定義控制字節的第一位。轉換在控制字節的第8位（PD0位）移入后的SCLK下降沿開始。

五、應用與設計要點

1. 電源管理

• 上電復位：上電時，若SHDN未拉低，內部上電復位電路使MAX146/MAX147處于內部時鐘模式，準備轉換，SSTRB為高電平。上電后10μs內不應進行轉換。
• 參考緩沖補償：SHDN可選擇內部或外部補償，影響上電時間和最大轉換速度。外部補償使用4.7μF電容，可保證參考緩沖器穩定，允許2MHz全時鐘速度，但上電時間較長；內部補償無需外部電容，上電時間最短，內部時鐘模式最大時鐘速率為2MHz，外部時鐘模式為400kHz。
• 電源模式選擇：可通過控制字節的PD1和PD0位選擇全功率下降模式或快速功率下降模式，節省功耗。SHDN拉低可完全關閉轉換器。

2. 參考電壓

• 內部參考（MAX146）：MAX146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，可通過電路調節±1.5%。
• 外部參考：MAX146和MAX147都可使用外部參考，可連接到VREF或REFADJ引腳。使用REFADJ輸入可無需外部緩沖，使用VREF輸入時需將REFADJ連接到VDD以禁用內部緩沖。

3. 布局與接地

為獲得最佳性能，建議使用印刷電路板，避免使用繞線板。布局時應分離數字和模擬信號線，避免并行布線或數字線位于ADC封裝下方。建立單點模擬接地（星型接地），將所有模擬地和DGND連接到星型接地，電源旁路電容應靠近MAX146/MAX147的引腳20，以減少電源噪聲的影響。

4. 高速數字接口

MAX146/MAX147可與QSPI接口，最高外部時鐘頻率可達2MHz。通過配置QSPI電路，可對8個通道進行轉換，并將結果存儲在內存中，減輕CPU負擔。

5. TMS320LC3x接口

在外部時鐘模式下，可將MAX146/MAX147與TMS320連接。通過配置TMS320的時鐘和I/O端口，寫入控制字啟動轉換，監測SSTRB輸出，讀取轉換結果。

六、總結

MAX146/MAX147是兩款性能出色的低功耗8通道12位串行ADC，具有豐富的特性和靈活的操作模式。在設計應用時，需要根據具體需求合理選擇電源模式、參考電壓、時鐘模式等，同時注意布局和接地，以確保系統的穩定性和性能。通過本文的介紹，希望能幫助電子工程師更好地理解和應用這兩款ADC，為實際設計提供參考。