MAX19191：超低功耗 10Msps 8 位 ADC 的卓越之选

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桥梁。今天，我们聚焦于 Maxim 公司的一款杰出 ADC——MAX19191，它以超低功耗、出色的动态性能和小巧的尺寸，在众多应用场景中展现出强大的竞争力。

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一、产品概述

MAX19191 是一款超低功耗、8 位、10Msps 的 ADC。它具有全差分宽带跟踪保持（T/H）输入，带宽达 440MHz，能接受全差分或单端信号。在 1.875MHz 输入频率和 10Msps 采样率下，典型的信噪失真比（SINAD）为 48.6dB，功耗仅 15.3mW。该 ADC 的模拟电源电压范围为 2.7V 至 3.6V，数字输出驱动器由 1.8V 至 3.6V 独立电源供电。此外，它还具备三种低功耗模式，可在空闲时段节省功耗。其出色的动态性能、超低功耗和小尺寸特性，使其非常适合成像、仪器仪表和数字通信等应用。

内部 1.024V 精密带隙基准将 ADC 的满量程范围设置为 ±0.512V，灵活的基准结构允许使用内部基准或接受外部基准，以满足更高精度的应用需求。

二、关键特性

（一）超低功耗

• 正常工作模式：在 10Msps 采样率下，功耗仅 15.3mW。
• 关机模式：功耗低至 2µW，极大地节省了能源。

（二）出色的动态性能

• 信噪比（SNR）：在 (f_{IN}=1.875 MHz) 时，SNR 达到 48.6dB。
• 无杂散动态范围（SFDR）：在 (f_{IN}=1.875 MHz) 时，SFDR 为 70dBc。

（三）电源与输入特性

• 电源：2.7V 至 3.6V 单模拟电源，1.8V 至 3.6V TTL/CMOS 兼容数字输出。
• 输入：全差分或单端模拟输入，内部/外部基准可选。

（四）输出与封装

• 输出：多路复用的 CMOS 兼容三态输出。
• 封装：采用 28 引脚薄型 QFN 封装，尺寸为 5mm × 5mm。

三、电气特性

（一）直流精度

• 分辨率：INL 最大为 ±1.00 LSB，DNL 典型为 ±0.12 LSB。
• 增益误差：排除 REFP - REFN 误差后，最大为 ±2%。
• 电源抑制：电源电压 ±5% 变化时，偏移最大为 ±0.2%，增益最大为 ±0.05%。

（二）转换速率

• 时钟频率：(f_{CLK}) 为 10MHz。
• 数据延迟：时钟上升沿到输出数据有效时间为 1 - 8.5ns。

（三）动态性能

• SNR：在不同输入频率下保持较好性能，如 (f_{IN}=1.875MHz) 时为 48.6dB。
• SINAD：(f_{IN}=1.875MHz) 时为 47dB。
• SFDR：(f_{IN}=1.875MHz) 时为 70.0dBc。

（四）内部基准

• REFP 输出电压：典型为 0.256V。
• REFN 输出电压：与 VCOM 相关。
• COM 输出电压：为 VDD/2 ±0.15V。

四、典型工作特性

通过一系列图表展示了 MAX19191 在不同条件下的性能表现，如不同输入频率、采样率、占空比等对 SNR、SINAD、SFDR 等指标的影响。这些特性曲线有助于工程师在实际应用中根据具体需求选择合适的工作参数。

五、引脚描述

MAX19191 共有 28 个引脚，各引脚功能明确：

• 模拟输入引脚：IN+ 和 IN- 用于输入模拟信号，单端操作时可按特定方式连接。
• 电源引脚：VDD 为转换器电源输入，OVDD 为输出驱动器电源输入，需进行适当的旁路电容配置。
• 数字输出引脚：D0 - D7 为三态数字输出，DVAL 为数据有效指示。
• 控制引脚：PD0 和 PD1 用于控制电源模式。

六、详细工作原理

（一）流水线架构

采用七级全差分流水线架构，每半个时钟周期，输入采样信号在流水线各级逐步处理。包括输出锁存延迟，总时钟周期延迟为 5 个时钟周期。在每一级，闪存 ADC 将输入电压转换为数字代码，DAC 将数字化结果转换回模拟电压并与原始输入信号相减，误差信号乘以 2 后传递到下一级，经过数字误差校正确保无丢失代码。

（二）输入跟踪保持电路

在跟踪模式下，通过一系列开关操作对输入信号进行采样和保持。宽输入带宽的 T/H 放大器使 MAX19191 能够跟踪和采样高频模拟输入。ADC 输入可采用差分或单端驱动，为获得最佳性能，需匹配 IN+ 和 IN- 的阻抗，并将共模电压设置为电源电压的一半（VDD/2）。

（三）模拟输入与基准配置

MAX19191 的满量程模拟输入范围为 ±VREF，共模输入范围为 VDD/2 ±0.2V。提供三种基准操作模式：

• 内部基准模式：将 REFIN 连接到 VDD 或不连接，VREF 内部生成，COM、REFP 和 REFN 为低阻抗输出。
• 缓冲外部基准模式：在 REFIN 施加 1.024V ±10% 的电压，VREF 内部生成，各引脚同样为低阻抗输出。
• 无缓冲外部基准模式：将 REFIN 连接到 GND，COM、REFP 和 REFN 由外部基准源驱动。

（四）时钟输入

CLK 接受 CMOS 兼容信号电平，要求时钟抖动低、上升和下降时间快（<2ns）。采样发生在时钟信号的上升沿，时钟抖动对 SNR 性能有重要影响，尤其在欠采样应用中。时钟输入应视为模拟输入，远离其他模拟输入或数字信号线。

（五）系统时序要求

输入数据在时钟信号的上升沿采样，5 个时钟周期后，输出数据在时钟上升沿更新。DVAL 指示信号跟随 CLK，典型延迟时间为 6ns，输出数据有效时保持高电平。

（六）数字输出数据

D0 - D7 和 DVAL 与 TTL/CMOS 逻辑兼容，数字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（< 15 pF），可通过添加 100Ω 电阻来改善性能。

（七）电源模式

MAX19191 有四种电源模式，由 PD0 和 PD1 控制：

• 关机模式：关闭所有模拟部分，输出置为三态，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，但输出强制为三态，唤醒时间为 5ns。
• 正常工作模式：所有部分正常供电。

七、应用信息

（一）电路设计

提供了多种应用电路示例，如 DC 耦合差分输入驱动器、变压器耦合输入驱动、单端交流耦合输入信号电路等。这些电路可根据具体应用需求选择，以实现最佳性能。

（二）参考驱动

• 缓冲外部参考驱动：允许对参考电压进行更多控制，可多个转换器共用一个参考源。
• 无缓冲外部参考驱动：可精确控制参考电压，同样支持多个转换器共用参考源。

（三）接地、旁路和电路板布局

MAX19191 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，采用多层板并分离接地和电源平面，将模拟地和数字输出驱动地分开，通过单点连接，避免数字地电流干扰模拟地。同时，高速数字信号走线应远离敏感模拟走线，减少串扰。

八、参数定义

（一）静态参数

• 积分非线性（INL）：实际传递函数值与直线的偏差。
• 差分非线性（DNL）：实际步长与理想 1LSB 的差值。
• 偏移误差：测量的过渡点与理想过渡点的偏差。
• 增益误差：去除偏移误差后，测量的过渡点与理想过渡点的偏差。

（二）动态参数

• 孔径抖动：采样延迟的样本间变化。
• 孔径延迟：采样时钟上升沿与实际采样时刻的时间间隔。
• 信噪比（SNR）：RMS 信号与 RMS 噪声的比值。
• 信噪失真比（SINAD）：RMS 信号与包含所有频谱分量的 RMS 噪声的比值。
• 有效位数（ENOB）：衡量 ADC 在特定输入频率和采样率下的动态性能。
• 总谐波失真（THD）：输入信号前五个谐波的 RMS 和与基波的比值。
• 三次谐波失真（HD3）：三次谐波分量的 RMS 值与基波输入信号的比值。
• 无杂散动态范围（SFDR）：基波 RMS 振幅与次大杂散分量 RMS 值的比值。
• 互调失真（IMD）：两个输入音调存在时，互调产物的总功率与总输入功率的比值。
• 三阶互调（IM3）：两个输入音调存在时，最差三阶互调产物的功率与任一输入音调输入功率的比值。
• 电源抑制：电源电压 ±5% 变化时，偏移和增益误差的变化。
• 小信号带宽：小 -20dBFS 模拟输入信号下，数字化转换结果幅度下降 -3dB 时的输入频率。
• 全功率带宽：大 -0.5dBFS 模拟输入信号下，数字化转换结果幅度下降 -3dB 时的输入频率。

MAX19191 凭借其超低功耗、出色的动态性能和丰富的功能特性，为电子工程师在设计成像、仪器仪表和数字通信等应用时提供了一个非常优秀的选择。在实际应用中，工程师需要根据具体需求合理选择工作模式、配置电路和进行电路板布局，以充分发挥 MAX19191 的性能优势。你在使用类似 ADC 时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。