探索MAX157/MAX159：低功耗10位ADC的卓越性能與應用

在電子設計領域，模擬到數字的轉換是一項至關重要的技術。今天，我們將深入探討MAXIM推出的兩款低功耗、2通道、108ksps、串行10位ADC——MAX157和MAX159。這兩款器件在電池供電和數據采集等應用中展現出了獨特的優勢。

文件下載：MAX157.pdf

一、器件概述

MAX157和MAX159采用8引腳μMAX和DIP封裝，單電源供電范圍為+2.7V至+5.25V。它們具備7.4μs逐次逼近型ADC、自動掉電功能、快速喚醒（2.5μs）、片上時鐘以及高速3線串行接口。在最大采樣率108ksps時，功耗僅為3.2mW（(V_{DD}= +3.6V)），在較低吞吐量速率下，0.2μA的自動關機功能進一步降低了功耗。

1. 通道特性

• MAX157：提供2通道單端操作，接受0至VREF的輸入信號。
• MAX159：接受0至VREF的偽差分輸入。

2. 應用場景

這些轉換器適用于電池供電系統、便攜式數據記錄、隔離數據采集和過程控制監測等領域。對于需要引腳兼容的12位升級，可以參考MAX144/MAX145的數據手冊。

二、關鍵特性

1. 電源與功耗

• 單電源操作：支持+2.7V至+5.25V的單電源，適應多種電源環境。
• 低功耗：不同采樣率下功耗表現出色，例如在108ksps、+3V時為0.9mA，10ksps、+3V時為100μA，1ksps、+3V時為10μA，掉電模式下小于0.2μA。

2. 采樣與接口

• 內部跟蹤/保持：具備108ksps的采樣率，能夠滿足高速數據采集需求。
• 3線串行接口：與SPI?、QSPI?和MICROWIRE?兼容，方便與微處理器連接。

3. 封裝與升級

• 節省空間的8引腳μMAX封裝：適合對空間要求較高的應用。
• 引腳兼容的12位升級：為未來的性能提升提供了便利。

三、電氣特性

1. 直流精度

• 分辨率：10位分辨率，確保了較高的測量精度。
• 相對精度：MAX15_A型號的相對精度為±0.5 LSB，MAX15_B型號為±1 LSB。
• 差分非線性：±0.5 LSB，保證了數據的準確性。

2. 動態特性

• 信噪比加失真（SINAD）：66 dB，提供了良好的信號質量。
• 總諧波失真（THD）： -70 dB，減少了信號失真。
• 無雜散動態范圍（SFDR）：70 dB，提高了信號的純凈度。

3. 其他特性

• 轉換時間：外部時鐘模式下為7.4μs，內部時鐘模式下為5 - 7μs。
• 跟蹤/保持采集時間：2.5μs，確保快速采集信號。

四、工作模式與操作

1. 時鐘模式選擇

• 內部時鐘模式：當(f{SCLK}<100kHz)或(f{SCLK}>2.17MHz)時，使用內部激光微調振蕩器，讓系統微處理器無需運行SAR轉換時鐘，方便在不同時鐘頻率下讀取轉換結果。
• 外部時鐘模式：時鐘頻率在100kHz至2.17MHz之間時，外部時鐘信號不僅能移出數據，還能驅動模數轉換，提供最佳的吞吐量。

2. 輸出數據格式

輸出為16位串行數據流，前三位為邏輯高（內部時鐘模式包含EOC位），接著是通道標識、10位數據（MSB優先）和兩個子LSB位。

3. 自動掉電模式

當(overline{CS} / SHDN = VDD)時，器件進入掉電模式，內部電路關閉，供應電流通常小于0.2μA。若外部參考穩定在1LSB以內，喚醒時間為2.5μs。

五、應用信息

1. 信號指標計算

• 信噪比（SNR）：理想情況下，(SNR(MAX)=(6.02 cdot N + 1.76) dB)，實際中還需考慮其他噪聲源。
• 信噪比加失真（SINAD）：(SINAD(dB)=20 cdot log left[frac{ Signal {RMS }}{( Noise + Distortion ){RMS }}right])
• 有效位數（ENOB）：(ENOB =(SINAD - 1.76) / 6.02)
• 總諧波失真（THD）：(THD =20 cdot log left(sqrt{frac{left(V{2}^{2}+V{3}^{2}+V{4}^{2}+V{5}^{2}right)}{V_{1}^{2}}}right))
• 無雜散動態范圍（SFDR）：是基波（最大信號分量）的RMS幅度與下一個最大雜散分量（不包括直流偏移）的RMS值之比。

2. 接口連接

• 標準接口兼容性：與SPI/QSPI和MICROWIRE標準串行接口完全兼容。
• 連接步驟：以SPI接口為例，需將CPU的串行接口設為主模式，選擇合適的時鐘頻率，通過通用I/O線拉低CS/SHDN，等待喚醒時間，激活SCLK進行數據讀取。

六、布局與設計要點

1. PCB布局

• 模擬與數字分離：確保模擬和數字走線分開，避免相互干擾。
• 接地設計：采用星型接地，降低接地阻抗，減少噪聲。
• 電源旁路：使用0.1μF和1μF的并聯電容對VDD進行旁路，靠近電源引腳，必要時添加衰減電阻。

2. 輸入保護

內部保護二極管可使輸入通道在GND - 300mV至VDD + 300mV范圍內擺動而不受損壞，但為保證準確轉換，輸入不應超過VDD + 50mV或低于GND - 50mV。若輸入電壓超過電源，需限制輸入電流至4mA。

七、總結

MAX157和MAX159以其低功耗、高性能和易于使用的特點，成為電池供電和數據采集應用的理想選擇。在實際設計中，我們需要根據具體需求選擇合適的工作模式和接口連接方式，同時注意PCB布局和輸入保護，以充分發揮這兩款ADC的性能優勢。大家在使用過程中是否遇到過類似ADC的一些特殊問題呢？歡迎在評論區分享交流。