MAX1191：低功耗、高性能的双8位ADC解决方案

在电子设计领域，对于高性能、低功耗的模数转换器（ADC）需求一直居高不下。MAX1191作为一款由MAXIM推出的超低压、双8位、7.5Msps的ADC，凭借其卓越的性能和丰富的特性，在成像、仪器仪表和数字通信等领域展现出了巨大的应用潜力。

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一、芯片概述

1.1 基本特性

MAX1191是一款超低压的双8位ADC，具备7.5Msps的采样速率。它拥有两个全差分宽带跟踪保持（T/H）输入，带宽高达440MHz，能够接受全差分或单端信号。在输入频率为1.875MHz、采样速率为7.5Msps的情况下，典型的信噪失真比（SINAD）可达48.6dB，而功耗仅为12mW。该ADC的模拟电源电压范围为2.7V至3.6V，数字输出驱动器则由1.8V至3.6V的独立电源供电。此外，它还具备三种掉电模式，可在空闲期间有效节省功耗。

1.2 参考结构

内部的1.024V精密带隙基准将ADC的满量程范围设定为±0.512V。其灵活的参考结构允许使用内部基准，也可接受外部施加的基准，以满足对精度要求更高的应用。

1.3 输出格式与封装

MAX1191具有并行、复用、CMOS兼容的三态输出，数字输出格式为偏移二进制。独立的数字电源输入可接受1.8V至3.6V的电压，便于与不同逻辑电平进行灵活接口。该芯片采用5mm × 5mm、28引脚的薄型QFN封装，适用于扩展工业温度范围（-40°C至+85°C）。

二、性能参数

2.1 直流精度

• 分辨率：8位。
• 积分非线性（INL）：±0.15至±1.00 LSB。
• 差分非线性（DNL）：在整个温度范围内无丢失码，范围为±0.13至±1.00 LSB。
• 偏移误差：≥+25°C时为±4 %FS，<+25°C时为±6 %FS。
• 增益误差：排除REFP - REFN误差后为±2 %FS。
• 直流增益匹配：±0.01至±0.2 dB。
• 增益温度系数：±30 ppm/°C。
• 电源抑制比：偏移（VDD ±5%）和增益（VDD ±5%）为±0.05至±0.2 LSB。

2.2 模拟输入

• 差分输入电压范围：±0.512 V。
• 共模输入电压范围：VDD / 2 V。
• 输入电阻：720 kΩ。
• 输入电容：5 pF。

2.3 转换速率

• 最大时钟频率：7.5 MHz。
• 数据延迟：通道A为5.0个时钟周期，通道B为5.5个时钟周期。

2.4 动态特性

• 信噪比（SNR）：在fIN = 1.875MHz时为48.7dB，fIN = 3.75MHz时为48.6dB。
• 信噪失真比（SINAD）：在fIN = 1.875MHz时为48.6dB，fIN = 3.75MHz时为48.5dB。
• 无杂散动态范围（SFDR）：在fIN = 1.875MHz时为69dBc，fIN = 3.75MHz时为68.7dBc。
• 三阶谐波失真（HD3）：在fIN = 1.875MHz时为 -72.0dBc，fIN = 3.75MHz时为 -70.0dBc。
• 互调失真（IMD）：在fIN1 = 1MHz at -7dB FS，fIN2 = 1.01MHz at -7dB FS时为 -66dBc。
• 三阶互调（IM3）：在fIN1 = 1MHz at -7dB FS，fIN2 = 1.01MHz at -7dB FS时为 -70dBc。
• 总谐波失真（THD）：在fIN = 1.875MHz时为 -68.0dBc，fIN = 3.75MHz时为 -67.0dBc。
• 小信号带宽：440 MHz。
• 全功率带宽：440 MHz。
• 孔径延迟：1.5 ns。
• 孔径抖动：2 ps RMS。
• 过载恢复时间：2 ns。

2.5 内部基准

• REFP输出电压：0.256 V。
• REFN输出电压： -0.256 V。
• COM输出电压：VDD / 2 - 0.15至VDD / 2 + 0.15 V。
• 差分基准输出：0.512 V。
• 差分基准输出温度系数：±30 ppm/°C。
• 最大REFP/REFN/COM源电流：2 mA。
• 最大REFP/REFN/COM灌电流：2 mA。

2.6 电源要求

• 模拟电源电压：2.7至3.6 V。
• 数字输出电源电压：1.8至VDD V。

2.7 定时特性

• CLK上升到CHA输出数据有效时间：1至8.5 ns。
• CLK下降到CHB输出数据有效时间：1至8.5 ns。
• CLK上升/下降到A/B上升/下降时间：1至8.5 ns。
• PD1上升到输出使能时间：5 ns。
• PD1下降到输出禁用时间：5 ns。
• CLK占空比：50%。
• CLK占空比变化：±10%。
• 从关机模式唤醒时间：20 µs。
• 从待机模式唤醒时间：5.5 µs。
• 数字输出上升/下降时间：2 ns。

2.8 通道间特性

• 串扰抑制： -75 dB。
• 幅度匹配：±0.03 dB。
• 相位匹配：±0.03°。

三、工作原理

3.1 流水线架构

MAX1191采用七级全差分流水线架构，这种架构在实现高速转换的同时，能够有效降低功耗。输入采样信号每半个时钟周期在流水线各级中逐步处理。考虑到输出锁存器的延迟，通道A的总时钟周期延迟为5个时钟周期，通道B为5.5个时钟周期。

3.2 输入跟踪保持电路

输入跟踪保持（T/H）电路在跟踪模式下，通过多个开关将输入信号采样到电容上。在保持模式下，开关状态改变，将采样信号保持并传递给后续的量化器，从而隔离流水线与快速变化的输入信号。

3.3 参考模式

MAX1191提供三种参考模式：

• 内部参考模式：将REFIN连接到VDD或不连接，VREF内部生成，为0.512V ±3%。
• 缓冲外部参考模式：在REFIN施加1.024V ±10%的电压，VREF内部生成，为VREFIN/2。
• 无缓冲外部参考模式：将REFIN连接到GND，激活外部参考源驱动REFP、REFN和COM。

四、应用电路

4.1 直流耦合差分输入驱动器

图7所示的电路采用单3V电源供电，适用于RF正交解调器与高速ADC之间的模拟接口，能够适应0.5V至1.5V的宽输入共模电压范围，为QAM - 16通信链路提供所需的SINAD和带宽。

4.2 变压器耦合输入驱动

使用RF变压器（图8）可以将单端源信号转换为全差分信号，满足MAX1191的最佳性能要求。通过将变压器中心抽头连接到COM，可实现VDD/2的直流电平偏移。

4.3 单端交流耦合输入信号

图9展示了一个交流耦合、单端应用电路，使用如MAX4108等放大器可以提供高速、高带宽、低噪声和低失真的性能，确保输入信号的完整性。

4.4 缓冲外部参考驱动多个ADC

缓冲外部参考模式允许对MAX1191的参考电压进行更精确的控制，并支持多个转换器使用公共参考。图10展示了使用MAX6061精密带隙基准为多个转换器提供公共参考的电路。

4.5 无缓冲外部参考驱动多个ADC

无缓冲外部参考模式允许对MAX1191的参考进行精确控制，并支持多个转换器使用公共参考。图11展示了使用MAX6066精密带隙基准为多个转换器提供公共参考的电路。

4.6 典型QAM解调应用

在数字通信中，正交幅度调制（QAM）广泛应用。图12展示了使用MAX1191双匹配、3V、8位ADC和MAX2451正交解调器在模拟域进行QAM信号解调的过程，可有效恢复和数字化I和Q基带信号。

五、设计注意事项

5.1 时钟输入

CLK应接受CMOS兼容的信号电平，为确保器件的级间转换重复性，应使用低抖动、快速上升和下降时间（<2ns）的时钟。时钟输入应被视为模拟输入，远离其他模拟输入或数字信号线，以减少干扰。

5.2 系统定时要求

通道A和通道B在时钟信号（CLK）的上升沿同时采样，输出数据进行复用。通道A数据在CLK上升沿更新，通道B数据在CLK下降沿更新。A/B指示器跟随CLK，典型延迟时间为6ns。

5.3 数字输出

数字输出D0 - D7和A/B与TTL/CMOS逻辑兼容，输出编码为偏移二进制。为避免数字电流反馈到模拟部分影响动态性能，数字输出的电容负载应尽可能低（<15pF），可通过添加100Ω电阻来改善性能。

5.4 电源模式

MAX1191具有四种电源模式，可通过PD0和PD1进行控制：

• 关机模式：关闭所有模拟部分，输出为三态，唤醒时间通常为20µs。
• 待机模式：参考和时钟分配电路供电，流水线ADC未供电，输出为三态，唤醒时间为5.5µs。
• 空闲模式：流水线ADC、参考和时钟分配电路供电，输出为三态，唤醒时间为5ns。
• 正常工作模式：所有部分供电。

5.5 接地、旁路和电路板布局

MAX1191需要高速电路板布局设计技术。旁路电容应尽可能靠近器件，使用表面贴装器件以减少电感。多层板应采用分离的接地和电源平面，以确保信号完整性。高速度数字信号迹线应远离敏感的模拟迹线，模拟输入线应隔离以减少通道间串扰。

六、总结

MAX1191作为一款超低压、高性能的双8位ADC，凭借其低功耗、高动态性能和灵活的参考结构，在多种应用场景中表现出色。在设计过程中，工程师需要充分考虑时钟输入、系统定时、数字输出、电源模式以及电路板布局等因素，以确保芯片发挥最佳性能。通过合理的应用电路设计，MAX1191能够满足不同领域对模数转换的需求，为电子系统的设计提供了可靠的解决方案。

你在使用MAX1191的过程中遇到过哪些挑战？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。