MAX148/MAX149：低功耗8通道10位串行ADC的深度解析

在电子设计领域，模拟到数字的转换是一个关键环节，而ADC（模拟数字转换器）的性能直接影响着整个系统的精度和效率。今天，我们就来深入探讨一下MAX148/MAX149这两款低功耗、8通道、串行10位ADC，看看它们在实际应用中能为我们带来哪些优势。

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一、产品概述

MAX148/MAX149是两款高性能的数据采集系统，它们将8通道多路复用器、高带宽跟踪/保持电路和串行接口集于一身，具备高转换速度和低功耗的特点。这两款ADC可以在单电源+2.7V至+5.25V的电压范围内工作，采样速率最高可达133ksps。其模拟输入支持软件配置，可实现单极性/双极性以及单端/差分操作。此外，它们还拥有4线串行接口，能直接与SPI/QSPI和MICROWIRE设备连接，无需外部逻辑。

二、产品特性

1. 电源与输入特性

• 宽电源范围：支持+2.7V至+5.25V的单电源供电，适应多种应用场景。
• 多通道输入：提供8通道单端或4通道差分输入，满足不同的信号采集需求。

  2. 参考电压

• 内部参考：MAX149具备内部2.5V参考电压，而MAX148则需要外部参考电压。
• 参考缓冲器：两款器件都配备了参考缓冲放大器，电压调整范围为±1.5%。

  3. 低功耗设计

• 不同速率下的低功耗：在133ksps、3V电源下，电流仅为1.2mA；在1ksps、3V电源下，电流为54µA；在掉电模式下，电流低至1µA。
• 自动关机功能：可以通过编程实现转换结束后自动关机，访问串行接口时会自动上电，快速开启时间允许在转换间隔期间关闭器件，有效降低功耗。

  4. 接口兼容性

• 4线串行接口：与SPI/QSPI/MICROWIRE/TMS320兼容，方便与各种微处理器和数字信号处理器连接。

  5. 封装形式

• 多种封装可选：提供20引脚PDIP和20引脚SSOP封装，便于不同的PCB布局设计。

三、电气特性

1. 直流精度

• 分辨率：10位分辨率，能够提供较高的测量精度。
• 相对精度：MAX14_A型号的积分非线性（INL）为±0.5 LSB，MAX14_B型号为±1.0 LSB。
• 差分非线性：在整个温度范围内无丢码现象，差分非线性（DNL）为±1 LSB。

  2. 动态特性

• 信号质量：在10kHz正弦波输入、0至2.500VP - P、133ksps、2.0MHz外部时钟、双极性输入模式下，信噪失真比（SINAD）为66dB，总谐波失真（THD）低至 - 70dB，无杂散动态范围（SFDR）为70dB。
• 带宽：小信号带宽为2.25MHz，全功率带宽为1.0MHz。

  3. 转换速率

• 内部时钟：SHDN未连接时，转换时间为5.5 - 7.5µs；SHDN连接VDD时，转换时间为35 - 65µs。
• 外部时钟：在2MHz外部时钟、12个时钟/转换周期的条件下，转换时间为6µs。

四、工作原理

1. 伪差分输入

ADC的模拟比较器采用伪差分输入架构。在单端模式下，IN + 内部连接到CH0 - CH7，IN - 连接到COM；在差分模式下，IN + 和IN - 从CH0/CH1、CH2/CH3、CH4/CH5、CH6/CH7这几对通道中选择。在差分模式下，只有IN + 的信号被采样，IN - 必须在转换期间相对于AGND保持稳定在±0.5 LSB（最佳结果为±0.1 LSB）。

2. 跟踪/保持电路

T/H电路在8位控制字的第5位移入后的下降沿进入跟踪模式，在第8位移入后的下降沿进入保持模式。其获取输入信号的时间取决于输入电容的充电速度，如果输入信号源阻抗较高，获取时间会延长，需要在转换之间留出更多时间。获取时间tACQ的计算公式为[t{ACQ}=7 timesleft(RS{S}+R{IN}right) × 16 pF]，其中(R{IN}=9 k Omega) ，RS为输入信号的源阻抗，tACQ不小于1.5µs。

五、应用信息

1. 启动转换

通过将控制字节时钟输入到DIN来启动转换。CS置低后，SCLK的每个上升沿将DIN的一位时钟输入到MAX148/MAX149的内部移位寄存器。CS下降后，第一个到达的逻辑“1”位定义控制字节的最高有效位（MSB）。

2. 软件接口

在外部时钟模式下，可通过以下步骤实现简单的软件接口：

• 设置控制字节TB1，格式为1XXXXX11二进制，其中X表示所选的特定通道和转换模式。
• 使用CPU的通用I/O线将CS置低。
• 发送TB1并同时接收字节RB1，忽略RB1。
• 发送全零字节（$00十六进制）并同时接收字节RB2。
• 再次发送全零字节（$00十六进制）并同时接收字节RB3。
• 将CS置高。

  3. 时钟模式

• 外部时钟模式：外部时钟不仅用于数据的移入和移出，还驱动模数转换步骤。SSTRB在控制字节的最后一位之后脉冲高电平一个时钟周期，连续逼近位决策在接下来的12个SCLK下降沿出现在DOUT。
• 内部时钟模式：MAX148/MAX149内部生成自己的转换时钟，SSTRB在转换开始时置低，转换完成时置高。转换过程中，SCLK应保持低电平以获得最佳噪声性能。

六、电源管理

1. 上电复位

上电时，如果SHDN未拉低，内部上电复位电路会使MAX148/MAX149在内部时钟模式下激活，SSTRB为高电平。电源稳定后，内部复位时间为10µs，在此期间不应进行转换。

2. 参考缓冲器补偿

SHDN引脚除了具有关机功能外，还可选择内部或外部补偿。外部补偿需要在VREF引脚使用4.7µF电容，可确保参考缓冲器稳定，但会增加上电时间；内部补偿无需外部电容，上电时间最短。

3. 掉电模式

• 软件掉电：通过控制字节的PD1和PD0位选择全功率掉电或快速掉电模式。软件掉电时，ADC在转换完成后进入低静态电流状态。
• 硬件掉电：将SHDN拉低可使转换器进入硬件掉电状态，转换停止。SHDN还可控制内部时钟频率。

七、参考电压

1. 内部参考（MAX149）

MAX149的内部参考电压为2.5V，单极性输入时满量程范围为2.5V，双极性输入时为±1.25V。内部参考电压可通过电路调整±1.5%。

2. 外部参考

外部参考可连接到VREF或REFADJ引脚。在VREF引脚，外部参考需提供高达350µA的直流负载电流，输出阻抗应不超过10Ω。使用REFADJ输入可无需对外部参考进行缓冲。

八、布局与接地

为了获得最佳性能，建议使用PCB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）线相互平行或数字线位于ADC封装下方。建立单点模拟接地（星形接地点），将所有其他模拟接地和DGND连接到该星形接地。

九、接口应用

1. QSPI接口

MAX148/MAX149可通过QSPI接口与微处理器连接，最高支持2MHz的外部时钟频率。QSPI电路可对八个通道进行转换，并将结果存储在内存中，减轻CPU负担。

2. TMS320LC3x接口

通过特定的配置和步骤，可将MAX148/MAX149与TMS320LC3x数字信号处理器连接，实现数据采集和转换。

总之，MAX148/MAX149凭借其低功耗、多通道、高分辨率等特性，在便携式数据记录、数据采集、医疗仪器、电池供电仪器等领域具有广泛的应用前景。在实际设计中，工程师们可以根据具体需求合理选择参考电压、时钟模式和掉电模式，优化系统性能，降低功耗。大家在使用过程中是否遇到过什么问题呢？欢迎在评论区分享交流。