MAX1142/MAX1143：高性能14位ADC的卓越之選

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穩定性。今天，我們就來深入探討MAXIM公司的兩款14位ADC——MAX1142和MAX1143，它們以其出色的性能和豐富的功能，在眾多應用場景中展現出獨特的優勢。

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一、產品概述

MAX1142/MAX1143是兩款采樣率高達200ksps的14位ADC，采用串行接口，可直接與SPI?、QSPI?和MICROWIRE?設備連接，無需外部邏輯。它們集成了輸入縮放網絡、內部跟蹤/保持電路、時鐘、+4.096V參考以及三個通用數字輸出引腳，封裝為20引腳SSOP。其卓越的動態性能（SINAD ≥ 81 dB）、高速采樣能力和低功耗（7.5mA），使其非常適用于工業過程控制、儀器儀表和醫療應用等領域。

輸入范圍

MAX1142可接受0至+12V（單極性）或±12V（雙極性）的輸入信號，而MAX1143則可接受0至+4.096V（單極性）或±4.096V（雙極性）的輸入信號。這種靈活的輸入范圍選擇，能夠滿足不同應用場景的需求。

電源與功耗

它們采用單一的+4.75V至+5.25V模擬電源和+4.75V至+5.25V數字電源供電。在不同的數據速率下，其功耗表現出色。例如，在10ksps時，掉電模式可將電流消耗降至1mA；在更低的數據速率下，電源電流可進一步降低至小于20μA。

串行接口

串行選通輸出（SSTRB）允許直接連接到TMS320系列數字信號處理器。用戶可以選擇內部時鐘或外部串行接口時鐘進行模數轉換。

二、產品特性

高采樣率與高精度

• 采樣率：具有200ksps（雙極性）和150ksps（單極性）的采樣率，能夠快速準確地采集模擬信號。
• 分辨率：14位分辨率，無漏碼，保證了轉換的精度。
• 線性度：保證1LSB的積分非線性（INL），確保了轉換結果的準確性。
• 動態性能：最小SINAD為81dB，提供了良好的信號質量。

低功耗設計

• 正常模式：單極性模式下功耗僅為7.5mA。
• 關機模式：關機模式下功耗低至2.5μA，適合電池供電的應用。

靈活的輸入范圍

用戶可通過軟件配置單極性和雙極性輸入范圍，滿足不同應用的需求。

內部或外部參考與時鐘

支持內部或外部參考和時鐘，為設計提供了更多的靈活性。

串行接口兼容性

與SPI/QSPI/MICROWIRE兼容的串行接口，方便與各種微處理器和數字信號處理器連接。

用戶可編程輸出

提供三個用戶可編程邏輯輸出，可用于控制8通道MUX或PGA。

小封裝

采用20引腳SSOP小封裝，節省電路板空間。

三、電氣特性

直流精度

• 分辨率：14位。
• 相對精度：單極性模式下，MAX114_A的INL為±1 LSB，MAX114_B的INL為±2 LSB。
• 差分非線性：單極性模式下DNL為±1 LSB。
• 偏移誤差：單極性模式下為±4mV，雙極性模式下為±6mV。
• 增益誤差：單極性模式下為±0.2% FSR，雙極性模式下為±0.3% FSR。
• 偏移漂移和增益漂移：雙極性和單極性模式下，排除參考漂移后，偏移漂移和增益漂移均為±1 ppm/°C。

動態規格

在5kHz正弦波輸入、200ksps采樣率、4.8MHz時鐘和雙極性輸入模式下，SINAD為81dB（fIN = 5kHz）和82dB（fIN = 100kHz），SNR為82dB（fIN = 5kHz和fIN = 100kHz），THD為 -88dB（fIN = 5kHz）和 -91dB（fIN = 100kHz），SFDR為90dB（fIN = 5kHz）和95dB（fIN = 100kHz）。

模擬輸入

• 輸入范圍：MAX1142單極性為0至12V，雙極性為 -12至12V；MAX1143單極性為0至4.096V，雙極性為 -4.096至4.096V。
• 輸入阻抗：MAX1142單極性為100 - 1000 kΩ，雙極性為3.4 - 4.5 kΩ；輸入電容為32 pF。

轉換速率

• 內部時鐘頻率：4 MHz。
• 孔徑延遲：10 ns。
• 孔徑抖動：50 ps。

不同模式下的性能

• 模式1（24個外部時鐘周期/轉換）：外部時鐘頻率單極性和雙極性均為0.1 - 4.8 MHz，采樣率單極性和雙極性均為4.17 - 200 ksps，轉換時間單極性和雙極性均為8 - 240 μs。
• 模式2（內部時鐘模式）：外部時鐘頻率（僅數據傳輸）為8 MHz，轉換時間SSTRB低脈沖寬度為4 - 6 μs，采集時間單極性為1.82 μs，雙極性為1.14 μs。
• 模式3（32個外部時鐘周期/轉換）：外部時鐘頻率單極性或雙極性均為0.1 - 4.8 MHz，采樣率單極性或雙極性均為3.125 - 150 ksps，轉換時間單極性或雙極性均為6.67 - 320 μs。

內部參考

• 輸出電壓：4.056 - 4.136 V。
• 短路電流：24 mA。
• 輸出溫度系數：±20 ppm/°C。
• 電容旁路：REF處為0.47 - 10 μF，REFADJ處最大為10 μF。
• REFADJ輸出電壓：4.096 V。
• REFADJ輸入范圍：可在4.096V基礎上進行±100 mV的小調整。

外部參考

• 輸入范圍：3.0 - 4.2 V。
• 輸入電流：VREF = 4.096V，fSCLK = 4.8MHz時為250 μA；VREF = 4.096V，fSCLK = 0時為230 μA；掉電模式下，fSCLK = 0時為0.1 μA。
• 輸入高電壓：2.4 V。
• 輸入低電壓：0.8 V。
• 輸入泄漏：±1 μA。
• 輸入滯后：0.2 V。
• 輸入電容：10 pF。

數字輸出

• 輸出高電壓：ISOURCE = 0.5mA時為DVDD - 0.5 V。
• 輸出低電壓：ISINK = 5mA時為0.4 V，ISINK = 16mA時為0.8 V。
• 三態泄漏電流：CS = DVDD時為±10 μA。
• 三態輸出電容：CS = DVDD時為10 pF。

電源

• 模擬電源：4.75 - 5.25 V。
• 數字電源：4.75 - 5.25 V。
• 模擬電源電流：單極性模式下為5 - 8 mA，雙極性模式下為8.5 - 11 mA；SHDN = 0或軟件掉電模式下為0.3 - 10 μA。
• 數字電源電流：單極性或雙極性模式下為2.5 - 3.5 mA；SHDN = 0或軟件掉電模式下為2.2 - 10 μA。
• 電源抑制比：AVDD = DVDD = 4.75V至5.25V時為72 dB。

四、引腳描述

REF

參考緩沖輸出/ADC參考輸入，用于模數轉換的參考電壓。內部參考模式下，參考緩沖提供+4.096V標稱輸出，可在REFADJ處進行外部調整；外部參考模式下，將REFADJ拉至AVDD可禁用內部緩沖。使用內部參考時，需用2.2μF電容旁路至AGND。

REFADJ

帶隙參考輸出/帶隙參考緩沖輸入，需用0.22μF電容旁路至AGND。使用外部參考時，將REFADJ連接到AVDD可禁用內部帶隙參考。

AGND

模擬地，是主要的模擬接地（星型接地）。

AVDD

模擬電源，5V ±5%，需用0.1μF電容旁路至AGND。

DGND

數字地。

SHDN

關機控制輸入，將SHDN拉低可使ADC進入關機模式。

P2、P1、P0

用戶可編程輸出，上電默認狀態為零，可用于驅動多路復用器、PGA或其他信號預處理電路。

SSTRB

串行選通輸出，內部時鐘模式下，轉換開始時SSTRB變低，轉換完成時變高；外部時鐘模式下，在MSB決策前，SSTRB脈沖高電平一個時鐘周期。CS為高電平時，外部時鐘模式下SSTRB為高阻抗。

DOUT

串行數據輸出，MSB優先，單極性輸入為直二進制格式，雙極性輸入為補碼格式。每個位在SCLK的下降沿從DOUT輸出。

RST

復位輸入，將RST拉低可使設備進入上電默認模式。

SCLK

串行數據時鐘輸入，SCLK的上升沿加載DIN上的串行數據，SCLK的下降沿更新DOUT上的串行數據。外部時鐘模式下，SCLK設置轉換速度。

DIN

串行數據輸入，DIN上的串行數據在SCLK的上升沿鎖存。

CS

芯片選擇輸入，將CS拉低可啟用串行接口。CS為高電平時，DOUT為高阻抗。外部時鐘模式下，CS為高電平時SSTRB為高阻抗。

CREF

參考緩沖旁路，需用1μF電容旁路至AGND。

AIN

模擬輸入。

五、詳細工作原理

轉換技術

MAX1142/MAX1143采用逐次逼近技術和輸入跟蹤/保持（T/H）電路，將模擬信號轉換為14位數字輸出。它們可以輕松與微處理器接口，數據位可以在外部時鐘模式下的轉換過程中讀取，也可以在內部時鐘模式下的轉換完成后讀取。

校準

為了最小化線性度、偏移和增益誤差，MAX1142/MAX1143具有按需軟件校準功能。通過寫入控制字節（M1 = 0，M0 = 1）啟動校準，并通過設置控制字節中的INT/EXT位選擇內部或外部時鐘進行校準。校準電路可以消除同步噪聲（如轉換時鐘）引起的偏移，但如果時鐘或其他數字信號的形狀或相對時序發生變化，可能需要重新校準。

輸入縮放

輸入縮放器允許在單+5V電源下轉換真正的雙極性輸入電壓。它根據需要對輸入進行衰減和移位，將外部輸入范圍映射到內部DAC的輸入范圍。MAX1142的模擬輸入范圍為0至+12V（單極性）或±12V（雙極性），MAX1143的模擬輸入范圍為0至+4.096V（單極性）或±4.096V（雙極性）。單極性和雙極性模式的選擇通過串行控制字節的第6位進行配置。

數字接口

數字接口引腳包括SHDN、RST、SSTRB、DOUT、SCLK、DIN和CS。SHDN拉低時，設備進入2.5μA關機模式；RST拉低時，設備停止運行并返回上電復位狀態。外部時鐘模式下，SSTRB在轉換開始時低電平并脈沖高電平一個時鐘周期；內部時鐘模式下，SSTRB在轉換開始時變低，轉換完成時變高。DIN接受控制字節數據，在SCLK的上升沿時鐘輸入；SCLK是串行數據傳輸時鐘，也在外部時鐘模式下驅動A/D轉換步驟；DOUT是轉換結果的串行輸出，在SCLK的下降沿更新；CS必須為低電平，設備才能接受控制字節。

用戶可編程輸出

MAX1142/MAX1143有三個用戶可編程輸出P0、P1和P2，上電默認狀態為零。它們是推挽CMOS輸出，可用于驅動多路復用器、PGA或其他信號預處理電路。用戶可編程輸出由控制字節的第0、1和2位控制。

啟動轉換

通過將控制字節時鐘輸入到設備的內部移位寄存器來啟動轉換。CS為低電平時，SCLK的每個上升沿將DIN的一個位時鐘輸入到內部移位寄存器。CS變低或轉換或校準完成后，第一個邏輯“1”被定義為控制字節的起始位。在采集或轉換過程中，如果CS變高然后變低，設備將進入可以識別新起始位的狀態。如果在當前轉換完成前出現新的起始位，當前轉換將被中止，新的采集將啟動。

內部和外部時鐘模式

• 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A/D轉換步驟。短采集模式下，SSTRB在起始位后的第七個SCLK下降沿后脈沖高電平一個時鐘周期，轉換的MSB在第八個SCLK下降沿出現在DOUT；長采集模式下，SSTRB在起始位后的第十五個SCLK下降沿后脈沖高電平一個時鐘周期，轉換的MSB在第十六個SCLK下降沿出現在DOUT。
• 內部時鐘模式：MAX1142/MAX1143生成自己的轉換時鐘，減輕了微處理器運行SAR轉換時鐘的負擔，允許以高達8MHz的任何時鐘速率方便地讀取轉換結果。轉換開始時SSTRB變低，轉換完成時變高。SSTRB最多低電平6μs，在此期間SCLK應保持低電平以獲得最佳噪聲性能。轉換進行時，內部寄存器存儲數據，轉換完成后，SCLK可將數據從內部存儲寄存器時鐘輸出。

輸出數據格式

單極性轉換的輸出數據格式為直二進制，雙極性模式為補碼格式。兩種模式下，MSB首先從MAX1142/MAX1143移出。

六、應用信息

上電復位

上電或RST脈沖低電平時，內部校準寄存器設置為默認值，用戶可編程寄存器（P0、P1和P2）為低電平，設備配置為雙極性模式和內部時鐘。

校準

為了補償溫度漂移和其他變化，應定期對MAX1142/MAX1143進行校準。環境溫度變化超過10°C、電源電壓變化100mV或參考電壓變化時，應進行校準。校準可以校正增益、偏移、積分非線性和差分非線性誤差。通過在控制字節中設置M1 = 0和M0 = 1啟動校準，校準應在與轉換相同的時鐘模式下進行。

參考

MAX1142/MAX1143可以使用內部或外部參考。內部參考模式下，需在REFADJ和AGND之間放置0.22μF陶瓷電容，在REF和AGND之間放置2.2μF電容，并可通過在REFADJ處吸收或提供電流進行微調。外部參考可以連接到REF或REFADJ引腳，使用REFADJ輸入時，外部參考無需緩沖；連接到REF時，REFADJ必須連接到AVDD，且REF處的外部參考在轉換期間必須提供250μA直流負載電流，輸出阻抗應小于10Ω。

模擬輸入

MAX1142/MAX1143使用電容DAC提供固有的跟蹤/保持功能，AIN應使用源阻抗小于10Ω的信號驅動，信號調理電路必須在小于500ns內以16位精度穩定。輸入帶寬應限制在采樣頻率的一半以下，以消除混疊。

輸入范圍

單極性模式下，MAX1142的模擬輸入范圍為0至+12V，MAX1143為0至+4.096V；雙極性模式下，MAX1142為 -12V至+12V，MAX1143為 -4.096V至+4.096V。單極性和雙極性模式通過控制字節的UNI/BIP位編程。使用非內部+4.096V參考時，滿量程輸入范圍將相應變化。

輸入采集和穩定

時鐘輸入控制字節啟動輸入采集。雙極性模式下，主電容陣列在識別起始位后立即