MAX1227/MAX1229/MAX1231：12位300ksps ADC的技术剖析与应用指南

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公司的MAX1227/MAX1229/MAX1231这三款12位300ksps ADC，了解它们的特性、工作原理以及应用场景。

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一、产品概述

MAX1227/MAX1229/MAX1231是具有内部参考和内部温度传感器的串行12位ADC。它们具备片上FIFO、扫描模式、内部时钟模式、内部平均以及AutoShutdown™等特性，最大采样率可达300ksps（使用外部时钟）。这三款器件的输入通道数量有所不同，MAX1231有16个输入通道，MAX1229有12个输入通道，MAX1227有8个输入通道，且所有输入通道可配置为单端或差分输入，支持单极性或双极性模式。它们均采用+3V电源供电，并包含一个10MHz SPI™ - /QSPI™ - /MICROWIRE™兼容的串行端口。

二、产品特性亮点

2.1 温度传感器

内部温度传感器的精度可达±0.7°C，能够准确测量环境温度，为温度控制和监测应用提供可靠的数据。

2.2 FIFO缓冲器

拥有16项先进先出（FIFO）缓冲器，可容纳多达16个ADC结果和一个温度结果，允许ADC处理多个内部时钟转换和温度测量，而无需占用串行总线。

2.3 模拟多路复用器

具备真正的差分模拟多路复用器和跟踪/保持功能，支持16、12、8通道单端输入以及8、6、4通道真正差分输入（单极性或双极性），提供了灵活的输入配置选项。

2.4 高精度

具有±1 LSB的积分非线性（INL）和差分非线性（DNL），无丢失码，确保了高精度的转换结果。

2.5 低功耗

采用单+3V电源供电，在300ksps采样率下电流仅为1mA，适合低功耗应用场景。

2.6 内部参考

提供内部2.5V参考或外部差分参考选项，满足不同应用的需求。

2.7 高速接口

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

三、电气特性详解

3.1 直流精度

分辨率为12位，INL和DNL误差均为±1.0 LSB，偏移误差和增益误差在±0.5 - ±4.0 LSB之间，偏移误差温度系数为±2 ppm/°C FSR，增益温度系数为±0.8 ppm/°C，通道间偏移匹配为±0.1 LSB。

3.2 动态特性

在30kHz正弦波输入、2.5V P - P、300ksps采样率和4.8MHz时钟频率下，信号 - 噪声加失真比（SINAD）为71dB，总谐波失真（THD）为 - 80dBc，无杂散动态范围（SFDR）为81dBc，互调失真（IMD）为76dBc，全功率带宽为1MHz，全线性带宽为100kHz。

3.3 转换速率

上电时间根据参考类型不同而有所差异，外部参考为0.8µs，内部参考为65µs。采集时间为0.6µs，转换时间在内部时钟模式下为3.5µs，外部时钟模式下为2.7µs。外部时钟频率范围为0.1 - 4.8MHz，数据I/O时钟频率可达10MHz。

3.4 模拟输入

输入电压范围在单极性模式下为0 - VREF/2到VREF，双极性模式下为±VREF/2。输入泄漏电流为±0.01 - ±1µA，输入电容在采集时间内为24pF。

3.5 内部温度传感器

测量误差在TA = +25°C时为±0.7°C，在TA = TMIN到TMAX时为±1.2 - ±2.5°C，温度测量噪声为0.4°C RMS，温度分辨率为1/8°C，电源抑制比为0.3°C/V。

3.6 内部参考

参考输出电压为2.48 - 2.52V，参考温度系数为±30 ppm/°C，输出电阻为6.5kΩ，参考输出噪声为200µV RMS，参考电源抑制比为 - 70dB。

3.7 外部参考输入

REF - 输入电压范围为0 - 500mV，REF + 输入电压范围为1.0 - VDD + 50mV，REF + 输入电流在VREF + = 2.5V、fSAMPLE = 300ksps时为40 - 100µA，在VREF + = 2.5V、fSAMPLE = 0时为±0.1 - ±5µA。

3.8 数字输入输出

数字输入的低电平电压为VDD x 0.3V，高电平电压为VDD x 0.7V，输入滞后为200mV，输入泄漏电流为±0.01 - ±1.0µA，输入电容为15pF。数字输出的低电平电压在不同负载电流下为0.4 - 0.8V，高电平电压为VDD - 0.5V，三态泄漏电流为±0.05 - ±1µA，三态输出电容为15pF。

3.9 电源要求

电源电压范围为2.7 - 3.6V，电源电流根据不同工作模式和参考类型有所不同，在温度传感时为2400 - 2700µA，采样率为300ksps时为1750 - 2000µA，关机时为0.2 - 5µA。电源抑制比为±0.2 - ±1mV。

四、工作原理与操作模式

4.1 转换器操作

采用全差分逐次逼近寄存器（SAR）转换技术和片上跟踪/保持（T/H）模块，将温度和电压信号转换为12位数字结果。支持单端和差分配置，单端模式下为单极性信号范围，差分模式下为双极性或单极性范围。

4.2 输入带宽

ADC的输入跟踪电路具有1MHz小信号带宽，可通过欠采样技术数字化高速瞬态事件并测量带宽超过采样率的周期性信号。但为避免高频信号混叠，需要对输入信号进行抗混叠预滤波。

4.3 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(GND - 0.3V)到(VDD + 0.3V)范围内摆动而不损坏。但为实现满量程附近的准确转换，输入不得超过VDD 50mV或低于GND 50mV。若非通道模拟输入电压超过电源，需将输入电流限制在2mA。

4.4 3线串行接口

支持SPI/QSPI和MICROWIRE设备的串行接口。对于SPI/QSPI，CPU串行接口需运行在主模式以生成串行时钟信号。SCLK频率应选择10MHz或更低，并将时钟极性（CPOL）和相位（CPHA）设置为相同值。器件可在SCLK空闲高或低状态下工作，即CPOL = CPHA = 0或CPOL = CPHA = 1。通过将CS置低，在SCLK上升沿锁存DIN输入数据，在SCLK下降沿更新DOUT输出数据。双极性真正差分结果和温度传感器结果以二进制补码格式输出，其他则为二进制格式。

4.5 单端/差分输入

通过写入设置寄存器，可将模拟输入配置为差分或单端转换。单端转换内部参考为GND，差分模式下T/H采样两个模拟输入之间的差值，消除共模直流偏移和噪声。

4.6 单极性/双极性模式

通过设置寄存器的最后2位（LSBs）控制单极性/双极性模式地址寄存器。设置为10时写入单极性模式寄存器，设置为11时写入双极性模式寄存器。单极性模式下差分输入范围为0到VREF，负差分模拟输入导致数字输出代码为零；双极性模式下差分输入范围为±VREF/2，数字输出代码在单极性模式下为二进制，在双极性模式下为二进制补码。

4.7 内部FIFO

内部FIFO可容纳多达16个ADC结果和一个温度结果。若FIFO已满且在未读取数据的情况下请求进一步转换，最旧的ADC结果将被新结果覆盖。每个结果包含2字节，MSB前有四个前导零。每次CS下降沿后，最旧的可用数据字节以MSB优先的方式在DOUT输出。FIFO为空时，DOUT为零。

4.8 内部时钟

器件由内部振荡器驱动，其精度在4.4MHz标称时钟速率的10%以内。内部振荡器在时钟模式00、01和10下激活，数据读取时钟速度可达10MHz。

五、应用信息

5.1 寄存器描述

通过SPI - /QSPI兼容的串行接口，MAX1227/MAX1229/MAX1231可在内部寄存器和外部电路之间进行通信。主要寄存器包括转换寄存器、设置寄存器、平均寄存器、复位寄存器、单极性寄存器和双极性寄存器，每个寄存器的位功能和配置方式在文档中有详细说明。

5.2 转换时间计算

转换时间取决于多个因素，如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、是否请求温度测量以及是否使用外部参考。对于内部时钟模式00和10，可使用公式“total conversion time = tcnv × navg × nresult + tTS + tRP”计算总转换时间；在时钟模式01下，总转换时间取决于CNVST的高低电平持续时间；在外部时钟模式（CKSEL1, CKSEL0 = 11）下，转换时间取决于SCLK周期和CS在每组八个SCLK周期之间的高电平持续时间。

5.3 温度测量

通过内部二极管连接的晶体管进行温度测量。二极管偏置电流从68µA变为4µA，产生与温度相关的偏置电压差。通过减去两次转换结果计算与绝对温度成比例的数字值，输出数据为该数字代码减去一个偏移量以将温度从开尔文转换为摄氏度。

5.4 输出数据格式

12位转换结果以MSB优先的格式输出，前有四个前导零。DIN数据在SCLK上升沿锁存到串行接口，DOUT数据在SCLK下降沿转换。时钟模式00和01的转换由CNVST启动，时钟模式10和11的转换通过向转换寄存器写入输入数据字节启动。单极性模式下数据为二进制，双极性模式下为二进制补码。

六、布局、接地和旁路建议

为获得最佳性能，建议使用PC板，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（特别是时钟）信号相互平行或数字线在MAX1227/MAX1229/MAX1231封装下方走线。VDD电源中的高频噪声会影响性能，应在VDD引脚附近使用0.1µF电容旁路到GND，并尽量减小电容引线长度以提高电源噪声抑制能力。若电源噪声较大，可在电源中串联一个10Ω电阻以改善电源滤波。对于TQFN封装，应将其暴露焊盘连接到地。

七、总结

MAX1227/MAX1229/MAX1231是一款功能强大、性能优越的12位300ksps ADC，具有高精度、低功耗、灵活的输入配置和丰富的功能特性。在系统监控、数据采集、工业控制、患者监测、数据记录和仪器仪表等领域具有广泛的应用前景。电子工程师在设计相关系统时，可以充分利用这些特性，实现高效、可靠的模拟 - 数字转换。大家在实际应用中是否遇到过类似ADC的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。