深入剖析MAX1167/MAX1168：高性能多通道16位ADC的卓越之选

在电子设计领域，模拟到数字的转换是一项关键技术，对于需要精确数据采集和处理的应用来说，选择一款合适的模数转换器（ADC）至关重要。MAX1167/MAX1168作为Maxim Integrated Products推出的多通道、16位、200ksps模数转换器，凭借其出色的性能和丰富的特性，成为众多工程师的理想之选。今天，我们就来深入了解一下这两款ADC的特点、应用场景以及设计要点。

文件下载：MAX1167.pdf

一、器件概述

MAX1167/MAX1168是低功耗、多通道、16位的模数转换器，采用逐次逼近型ADC架构，集成了+4.096V参考电压、参考缓冲器、内部振荡器、自动掉电功能以及高速SPI™/QSPI™/MICROWIRE™兼容接口。它们采用单+5V模拟电源供电，并配备独立的数字电源，可直接与+2.7V至+5.5V的数字逻辑接口。

通道差异

MAX1167包含一个4通道输入多路复用器，而MAX1168最多可接受8个模拟输入。此外，MAX1168还具备DSP帧同步输入和输出功能，简化了数字信号处理器（DSP）发起的转换操作，同时提供数据位传输输入，可选择8位或16位宽的数据传输模式。

低功耗特性

这两款ADC在功耗方面表现出色。在使用外部参考电压且采样率为200ksps时，仅消耗3.6mA电流（AVDD = DVDD = +5V）。AutoShutdown™功能可将采样率降至10ksps时，电源电流降至185µA，在更低采样率下甚至可降至10µA以下。

封装与温度范围

MAX1167采用16引脚QSOP封装，MAX1168采用24引脚QSOP封装，均适用于商业（0°C至+70°C）和扩展（-40°C至+85°C）温度范围。同时，还提供MAX1168评估套件，方便工程师进行评估和开发。

二、应用场景

MAX1167/MAX1168凭借其高性能和低功耗的特点，广泛应用于多个领域，包括但不限于以下几个方面：

• 电机控制：精确的模拟信号转换有助于实现电机的精确控制，提高电机的性能和效率。
• 工业过程控制：在工业自动化系统中，对各种模拟信号进行准确采集和处理，确保生产过程的稳定和可靠。
• 工业I/O模块：作为数据采集和传输的核心部件，为工业设备提供可靠的接口。
• 数据采集系统：用于采集各种传感器的数据，如温度、压力、流量等，为数据分析和决策提供支持。
• 热电偶测量：高精度的转换能力确保热电偶测量的准确性，广泛应用于温度监测和控制领域。
• 加速度计测量：对加速度信号进行精确转换，为运动监测和控制提供数据支持。

三、关键特性

高分辨率与精度

• 16位分辨率：确保了高精度的模拟信号转换，无丢失码，能够满足大多数应用对数据精度的要求。
• 相对精度：INL（积分非线性）最大为±3 LSB，保证了转换结果的准确性。
• 差分非线性：DNL（差分非线性）在16位模式下，最大为+1.75 LSB，确保了转换的线性度。

灵活的电源与逻辑电平

• 单电源供电：采用单+5V模拟电源供电，简化了电源设计。
• 可调逻辑电平：数字电源电压范围为+2.7V至+5.25V，可直接与不同电平的数字逻辑接口。

丰富的输入特性

• 输入电压范围：输入电压范围为0至VREF，可根据实际需求选择内部（+4.096V）或外部（+3.8V至AVDD）参考电压。
• 内部跟踪/保持：具有4MHz的输入带宽，能够快速准确地采集模拟信号。
• 多通道输入：MAX1167提供4通道输入，MAX1168提供8通道输入，满足不同应用对多通道采集的需求。

高速串行接口

• SPI/QSPI/MICROWIRE兼容：支持高速串行通信，方便与微处理器或其他数字设备进行连接。
• DSP接口：MAX1168具备DSP帧同步输入和输出功能，可直接与DSP进行通信，实现高效的数据采集和处理。

低功耗设计

• 多种功耗模式：提供多种功耗模式，包括正常模式、自动掉电模式和完全掉电模式，可根据实际应用需求进行选择，降低功耗。
• 低静态电流：在掉电模式下，静态电流低至0.6µA，有效延长电池使用寿命。

四、电气特性

直流精度

• 分辨率：16位，确保了高精度的模拟信号转换。
• 相对精度：INL最大为±3 LSB，保证了转换结果的准确性。
• 差分非线性：DNL最大为+1.75 LSB，确保了转换的线性度。
• 偏移误差：最大为±10mV（%FSR），保证了零点的准确性。
• 增益误差：最大为±0.2%，保证了增益的准确性。

动态特性

• 信号噪声比（SNR）：典型值为88.5dB，确保了信号的质量。
• 总谐波失真（THD）：最大为-88dB，保证了信号的纯度。
• 无杂散动态范围（SFDR）：典型值为101dB，确保了信号的动态范围。
• 满功率带宽：-3dB点为4MHz，能够满足高速信号采集的需求。

转换速率

• 转换时间：内部时钟模式下，单转换时间最大为7.07µs；外部时钟模式下，单转换时间最大为3.75µs。
• 采集时间：外部时钟模式下，采集时间为729ns。
• 串行时钟频率：外部时钟模式下，串行时钟频率最大为4.8MHz。

五、引脚说明

MAX1167和MAX1168的引脚功能有所不同，下面分别进行介绍：

MAX1167引脚说明

引脚编号	引脚名称	功能描述
1	DOUT	串行数据输出，在SPI/QSPI/MICROWIRE模式下，数据在SCLK的下降沿改变状态；在DSP模式下（仅MAX1168），数据在SCLK的上升沿改变状态。当CS为高电平时，DOUT为高阻抗状态。
2	SCLK	串行时钟输入，在外部时钟模式下驱动转换过程，并将数据时钟输出。
3	DIN	串行数据输入，用于与命令/配置/控制寄存器进行通信。在SPI/QSPI/MICROWIRE模式下，SCLK的上升沿将数据时钟输入DIN；在DSP模式下，SCLK的下降沿将数据时钟输入DIN。
4	EOC	转换结束输出，在内部时钟模式下，EOC为低电平时表示转换结束，转换结果在DOUT上可用；在外部时钟模式下，EOC保持高电平。
5 - 8	AIN0 - AIN3	模拟输入0 - 3
9	REF	参考电压输入/输出，VREF设置模拟电压范围，需用10µF电容旁路至AGND；使用内部参考时，需用1µF（最小）电容旁路。
10	REFCAP	参考旁路电容连接，使用内部参考时，需用0.1µF电容旁路至AGND；在外部参考模式下，内部参考和缓冲器关闭。
11 - 12	AGND	模拟地，连接到引脚18（MAX1168）或引脚12（MAX1167）。
13	AVDD	模拟电源电压，需用0.1µF电容旁路至AGND。
14	CS	低电平有效芯片选择输入，将CS置高可使MAX1167进入掉电模式，典型电源电流为0.6µA；在SPI/QSPI/MICROWIRE模式下，CS从高到低的转换激活正常工作模式。
15	DGND	数字地
16	DVDD	数字电源电压，需用0.1µF电容旁路至DGND。

MAX1168引脚说明

除了与MAX1167相同的引脚外，MAX1168还增加了以下引脚：	引脚编号	引脚名称	功能描述
1	DSPR	DSP帧同步接收输入，接收到的帧同步脉冲启动转换；在使用SPI/QSPI/MICROWIRE模式时，连接到逻辑高电平。
2	DSEL	数据位传输选择输入，DSEL为低电平时，设备进入8位宽数据传输模式；DSEL为高电平时，设备进入16位宽数据传输模式。
11 - 14	AIN4 - AIN7	模拟输入4 - 7
23	DSPX	DSP帧同步发送输出，DSPX上的帧同步脉冲通知DSP，DOUT上的MSB数据可用；在非DSP模式下，DSPX不连接。
24	N.C.	无连接，内部未连接。

六、工作模式

SPI/QSPI/MICROWIRE模式

在SPI/QSPI/MICROWIRE模式下，CS的下降沿唤醒模拟电路，允许SCLK将数据时钟输入。采集和转换由SCLK启动，转换结果以单极串行格式在DOUT上可用。在8位传输模式下，DOUT在SCLK的第8个下降沿开始输出数据（MSB优先）；在16位传输模式下，DOUT在SCLK的第16个下降沿开始输出数据。

DSP模式

在外部时钟模式下，MAX1168还可与DSP进行接口。在DSP模式下，来自DSP的帧同步脉冲启动由SCLK驱动的转换。MAX1168格式化帧同步脉冲，通知DSP转换结果以MSB优先、单极、串行数据格式在DOUT上可用。

七、设计要点

模拟输入

• 输入采样架构：ADC的输入采样架构采用跟踪/保持（T/H）电路，在跟踪模式下，模拟信号被采集到内部保持电容上；在保持模式下，T/H开关打开，电容式数模转换器（DAC）对模拟输入进行采样。
• 采集时间：采集时间（tACQ）是设备采集信号所需的最大时间，可使用公式(tACQ = 11(RS + RIN + RDS(ON)) × 45 pF + 0.3 mu s)计算，其中(RIN = 340 Omega)，RS为输入信号的源阻抗，(RDS(ON) = 60 Omega)，且tACQ不得小于729ns。当源阻抗小于200Ω时，对ADC性能影响不大。
• 输入带宽：ADC的输入跟踪电路具有4MHz的小信号带宽，可实现高速瞬态事件的数字化，并通过欠采样技术测量带宽超过ADC采样率的周期性信号。为避免不需要的高频信号混叠到感兴趣的频带中，需使用抗混叠滤波。
• 模拟输入保护：内部保护二极管将模拟输入钳位到AVDD或AGND，允许输入在(AGND - 0.3V)至(AVDD + 0.3V)范围内摆动而不损坏设备。如果模拟输入超过电源电压300mV，需将输入电流限制在10mA以内。

数字接口

• SPI/QSPI/MICROWIRE接口：MAX1167/MAX1168采用SPI/QSPI/MICROWIRE兼容的3线串行接口，包括数字输入CS、SCLK和DIN，以及输出DOUT和EOC。
• DSP接口：MAX1168在外部时钟模式下具备DSPR输入和DSPX输出，用于与DSP进行通信。在不使用DSP接口模式时，将DSPR连接到DVDD，DSPX不连接。
• 命令/配置/控制寄存器：通过命令/配置/控制寄存器可对设备进行配置和控制，包括通道选择、扫描模式、电源模式和时钟模式等。

电源管理

• 电源模式：MAX1167/MAX1168提供多种电源模式，包括正常模式、自动掉电模式和完全掉电模式。可通过设置命令/配置/控制寄存器中的相应位来选择电源模式。
• 参考电压：可选择内部（+4.096V）或外部（+3.8V至AVDD）参考电压。在内部参考模式下，需注意参考电压的唤醒和稳定时间。

八、总结

MAX1167/MAX1168作为高性能的多通道16位ADC，具有高分辨率、低功耗、灵活的电源和逻辑电平、丰富的输入特性以及高速串行接口等优点，适用于各种需要精确数据采集和处理的应用场景。在设计过程中，需要注意模拟输入、数字接口和电源管理等方面的要点，以确保设备的性能和稳定性。希望本文对电子工程师在选择和使用MAX1167/MAX1168时有所帮助。你在实际应用中是否遇到过类似ADC的设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。