探索MAX11638/MAX11639/MAX11642/MAX11643：8位、16/8通道、300ksps ADCs的卓越性能

在电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）是连接现实世界模拟信号与数字系统的关键桥梁。今天，我们将深入探讨Maxim推出的MAX11638/MAX11639/MAX11642/MAX11643系列8位、16/8通道、300ksps ADCs，了解它们的特性、应用以及如何在实际设计中发挥优势。

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一、产品概述

MAX11638/MAX11639/MAX11642/MAX11643是具有内部参考的串行8位ADC，具备片上FIFO、扫描模式、内部时钟模式、内部平均和AutoShutdown™等特性。该系列ADC的最大采样率可达300ksps（使用外部时钟），其中MAX11642/MAX11643拥有16个输入通道，而MAX11638/MAX11639则有8个输入通道。它们可在+3V或+5V电源下工作，并配备10MHz SPI - /QSPI™ - /MICROWIRE®兼容的串行端口。

1. 封装形式

• MAX11638/MAX11639采用16引脚QSOP封装。
• MAX11642/MAX11643采用24引脚QSOP封装。

2. 工作温度范围

所有四款器件均在-40°C至+85°C的扩展温度范围内工作。

二、应用领域

这些ADC适用于多种应用场景，包括但不限于：

• 系统监控：实时监测系统中的各种模拟信号，确保系统稳定运行。
• 数据采集系统：高效采集各种模拟数据，为后续分析提供准确的数据支持。
• 工业控制系统：在工业自动化中，精确转换模拟信号，实现对工业过程的精确控制。
• 患者监测：在医疗设备中，对患者的生理信号进行准确采集和处理。
• 数据记录：记录各种模拟信号的变化，为后续数据分析提供依据。
• 仪器仪表：用于各种仪器的信号转换和处理，提高仪器的精度和可靠性。

三、产品特性

1. 模拟多路复用器与跟踪保持（T/H）

• MAX11642/MAX11643具有16个通道。
• MAX11638/MAX11639具有8个通道。

2. 单电源供电

• MAX11639/MAX11643的供电范围为2.7V至3.6V。
• MAX11638/MAX11642的供电范围为4.75V至5.25V。

3. 内部参考

• MAX11639/MAX11643的内部参考电压为2.5V。
• MAX11638/MAX11642的内部参考电压为4.096V。 同时，也支持1V至VDD的外部参考电压。

4. 16项先进先出（FIFO）

FIFO缓冲器可容纳多达16个ADC结果，允许ADC处理多个内部时钟转换，而无需占用串行总线。

5. 扫描模式、内部平均和内部时钟

支持多种工作模式，可根据实际需求灵活配置。

6. 高精度

精度方面表现出色，具有±1 LSB的积分非线性（INL）和±1 LSB的微分非线性（DNL），且在整个温度范围内无丢失码。

7. 高速接口

具备10MHz的3线SPI - /QSPI - /MICROWIRE兼容接口，实现高速数据传输。

8. 小型封装

采用小型的QSOP封装，节省电路板空间。

四、电气特性

1. 直流精度

• 分辨率：8位。
• 积分非线性（INL）：±0.5 LSB。
• 微分非线性（DNL）：±0.5 LSB，无丢失码。
• 偏移误差：±0.5至±1 LSB。
• 增益误差：±0.5至±1 LSB。
• 偏移误差温度系数：±2 ppm/°C FSR。
• 增益温度系数：±0.8 ppm/°C。
• 通道间偏移匹配：±0.1 LSB。

2. 动态特性

• 信噪失真比（SINAD）：49 dB。
• 总谐波失真（THD）：-70 dBc（高达5次谐波）。
• 无杂散动态范围（SFDR）：-72 dBc。
• 互调失真（IMD）：-67 dBc（fIN1 = 29.9kHz，fIN2 = 30.1kHz）。
• 满功率带宽：1 MHz。
• 全线性带宽：100 kHz。

3. 转换速率

• 上电时间：外部参考时为0.8 s，内部参考时为65 s。
• 采集时间：0.6 µs。
• 转换时间：内部时钟时为3.5 µs，外部时钟时为2.7 µs。
• 外部时钟频率：0.1至4.8 MHz。

4. 模拟输入

• 输入电压范围：单极性，0至VREF。
• 输入泄漏电流：±0.01至±1 µA。
• 输入电容：采集期间为24 pF。

5. 内部参考

• 参考输出电压：MAX11638/MAX11642为4.024至4.168 V，MAX11639/MAX11643为2.48至2.52 V。
• 参考温度系数：MAX11638/MAX11642为±20 ppm/°C，MAX11639/MAX11643为+30 ppm/°C。
• 输出电阻：6.5 kΩ。
• 参考输出噪声：200 µVRMS。
• 参考电源抑制比（PSRR）：-70 dB。

6. 外部参考

• 参考输入电压范围：1.0至Vpp + 50mV。
• 参考输入电流：40至100 µA。

7. 数字输入输出

• 数字输入：不同型号的输入电压低（VIL）和高（VIH）有所不同，输入滞后为200 mV，输入泄漏电流为±0.01至±1.0 µA，输入电容为15 pF。
• 数字输出：输出电压低（VOL）在不同负载电流下有所不同，输出电压高（VOH）为VDD - 0.5 V，三态泄漏电流为±0.05至±1 µA，三态输出电容为15 pF。

8. 电源要求

• 电源电压：MAX11638/MAX11642为4.75至5.25 V，MAX11639/MAX11643为2.7至3.6 V。
• 电源电流：不同工作模式和采样率下的电源电流有所不同，关机电流为0.2至5 µA。
• 电源抑制比（PSR）：±0.2至±1.4 mV。

五、引脚描述

MAX11638 MAX11639 (8 CHANNELS)	MAX11642 MAX11643 (16 CHANNELS)	NAME	FUNCTION
1–7	-	AIN0–AIN6	模拟输入
-	1–15	AIN0–AIN14	模拟输入
8	-	CNVST /AIN7	低电平有效转换启动输入/模拟输入7
-	16	CNVST /AIN15	低电平有效转换启动输入/模拟输入15
9	17	REF	参考输入，需用0.1µF电容旁路至GND
10	18	GND	接地
11	19	VDD	电源输入，需用0.1µF电容旁路至GND
12	20	CS	低电平有效片选输入
13	21	SCLK	串行时钟输入
14	22	DIN	串行数据输入
15	23	DOUT	串行数据输出
16	24	EOC	转换结束输出

六、工作原理

1. 转换器操作

采用逐次逼近寄存器（SAR）转换技术和片上T/H模块，将电压信号转换为8位数字结果，支持单端信号范围。

2. 输入带宽

输入跟踪电路具有1MHz的小信号带宽，可使用欠采样技术数字化高速瞬态事件和测量带宽超过ADC采样率的周期性信号。但需要对输入信号进行抗混叠预滤波，以避免高频信号混叠到感兴趣的频带中。

3. 模拟输入保护

内部ESD保护二极管将所有引脚钳位到VDD和GND，允许输入在(VGND - 0.3V)至(VDD + 0.3V)范围内摆动而不损坏。但为了在满量程附近进行准确转换，输入不得超过VDD 50mV或低于GND 50mV。如果非通道模拟输入电压超过电源，需将输入电流限制在2mA。

4. 3线串行接口

与SPI/QSPI和MICROWIRE设备兼容，支持SPI/QSPI的主模式。SCLK频率可选择10MHz或更低，并设置时钟极性（CPOL）和相位（CPHA）。该系列ADC可在SCLK空闲高或低的情况下工作，即CPOL = CPHA = 0或CPOL = CPHA = 1。通过设置CS低电平，在SCLK的上升沿锁存DIN的输入数据，DOUT的输出数据在SCLK的下降沿更新，结果以二进制格式输出。

5. 单端输入

可通过写入设置寄存器来配置单端模拟输入转换模式，单端转换内部参考GND。

6. 真差分模拟输入T/H

在跟踪模式下，正输入电容连接到AIN0 - AIN15，负输入电容连接到GND。使用时钟模式01进行外部T/H定时，T/H进入保持模式后，转换采样的正、负输入电压之差。采集时间tACQ由输入电容充电速度决定，计算公式为： [t{ACQ}=9 timesleft(RS{S}+R{IN}right) × 24 pF+t{P W R}] 其中(R_{IN}=1.5 k Omega)，RS是输入信号的源阻抗，(tPWR =1 mu s)。当转换为内部定时时，tACQ从不小于1.4µs，源阻抗低于300Ω不会显著影响ADC的AC性能。对于高阻抗源，可以通过延长tACQ或在正、负模拟输入之间放置1µF电容来解决。

7. 内部FIFO

包含一个可容纳多达16个ADC结果的FIFO缓冲器，允许ADC处理多个内部时钟转换，而无需占用串行总线。如果FIFO已满且在未读取FIFO的情况下请求进一步转换，最旧的ADC结果将被新结果覆盖。

8. 内部时钟

基于内部振荡器工作，该振荡器在4.4MHz标称时钟速率的10%范围内准确。内部振荡器在时钟模式00、01和10中处于活动状态，可在高达10MHz的时钟速度下读取数据。

七、应用信息

1. 寄存器描述

通过SPI - /QSPI兼容的串行接口在内部寄存器和外部电路之间进行通信，包括转换寄存器、设置寄存器、平均寄存器和复位寄存器。

• 转换寄存器：用于选择每次扫描的活动模拟输入通道和扫描模式。
• 设置寄存器：用于配置时钟、参考和掉电模式。
• 平均寄存器：用于配置ADC对每个请求结果最多平均32个样本，并独立控制单通道扫描请求的结果数量。
• 复位寄存器：用于清除FIFO或将所有寄存器重置为默认状态。

2. 转换时间计算

转换时间取决于多个因素，包括每个样本的转换时间、每个结果的样本数、每次扫描的结果数以及是否使用外部参考。不同时钟模式下，转换时间的计算方法有所不同。

3. 不同时钟模式下的转换操作

• 时钟模式00：通过CNVST启动唤醒、采集、转换和关机序列，使用内部振荡器自动执行。结果添加到内部FIFO中，待后续读取。
• 时钟模式01：使用CNVST一次请求一个转换，使用内部振荡器自动执行。设置CNVST低电平开始采集，高电平开始转换。如果启用平均功能，需要执行多个CNVST脉冲才能将结果写入FIFO。
• 时钟模式10：通过向转换寄存器写入输入数据字节启动唤醒、采集、转换和关机序列，使用内部振荡器自动执行。这是上电后的默认时钟模式。
• 时钟模式11：通过向转换寄存器写入数据启动采集和转换，使用SCLK作为转换时钟，一次执行一个转换。扫描和平均功能禁用，转换结果在转换期间可在DOUT获取。

4. 部分读取和部分写入

如果FIFO中的条目第一个字节部分读取，第二个字节将包含接下来的8位；如果第一个字节完全读取，但第二个字节部分读取，该条目的其余部分将丢失。内部寄存器通过SPI部分写入时，从MSB开始到部分写入停止的位置包含新值，未写入部分包含先前写入的值。

5. 传输函数

单端输入的单极性传输函数中，代码转换发生在连续整数LSB值的中间，输出编码为二进制，1 LSB = VREF/256。

八、布局、接地和旁路

为了获得最佳性能，建议使用PCB，避免使用绕线板。电路板布局应确保数字和模拟信号线相互分离，避免模拟和数字（尤其是时钟）信号相互平行或数字线穿过封装下方。VDD电源中的高频噪声会影响性能，因此需要在VDD引脚附近使用0.1µF电容将VDD电源旁路至GND，并尽量减小电容引线长度以获得最佳电源噪声抑制效果。如果电源噪声很大，可以在电源中串联一个10Ω电阻以改善电源滤波。

九、总结

MAX11638/MAX11639/MAX11642/MAX11643系列ADC以其丰富的特性、高精度和良好的性能，为电子工程师在系统监控、数据采集、工业控制等多个领域的设计提供了有力的支持。在实际应用中，我们需要根据具体需求合理选择型号和配置工作模式，同时注意电路板布局和电源处理，以充分发挥这些ADC的优势。大家在使用这些ADC的过程中，有没有遇到过什么有趣的问题或者独特的应用案例呢？欢迎在评论区分享交流。