MAX1248/MAX1249：高效低功耗4通道10位串行ADC的设计与应用

在电子设计领域，模拟到数字的转换是一个关键环节，它直接影响到系统的数据采集和处理能力。MAX1248/MAX1249是一款由MAXIM推出的+2.7V至+5.25V供电的低功耗4通道10位串行ADC，在便携式数据记录、医疗仪器、笔式数字化仪等众多领域有着广泛的应用。今天，我们就来深入了解一下这款ADC的特点、工作原理以及应用要点。

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一、产品概述

MAX1248/MAX1249集成了4通道多路复用器、高带宽跟踪/保持电路和串行接口，具备高转换速度和低功耗的优势。它采用单+2.7V至+5.25V电源供电，模拟输入可通过软件配置为单极性/双极性和单端/差分操作模式。其4线串行接口可直接连接SPI™/QSPI™和MICROWIRE™设备，无需外部逻辑；串行选通输出还能直接连接TMS320系列数字信号处理器。

1.1 主要特点

• 多通道输入：支持4通道单端或2通道差分输入，满足不同的信号采集需求。
• 低功耗：在不同工作模式下，功耗表现出色。例如，在133ksps、+3V供电时，电流为1.2mA；在1ksps、+3V供电时，电流为54µA；在掉电模式下，电流仅为1µA。
• 宽电源范围：单电源供电范围为+2.7V至+5.25V，增强了系统的灵活性。
• 内部参考：MAX1248内置2.5V参考，而MAX1249需要外部参考；两者都有参考缓冲放大器，电压调整范围为±1.5%。
• 兼容接口：SPI/QSPI/MICROWIRE/TMS320兼容的4线串行接口，便于与各种微处理器和数字信号处理器连接。
• 软件配置：软件可配置单极性或双极性输入，增加了使用的灵活性。
• 小封装：采用16引脚QSOP封装，占用的电路板面积与8引脚SO封装相同。

1.2 应用领域

• 便携式数据记录：低功耗特性使其非常适合用于便携式设备的数据采集和记录。
• 医疗仪器：高精度和多通道输入满足医疗设备对信号采集的需求。
• 笔式数字化仪：能够准确采集笔的位置和压力等信息。
• 数据采集：广泛应用于各种数据采集系统中。
• 电池供电仪器：低功耗设计延长了电池的使用时间。
• 系统监控：可对系统的模拟信号进行实时监测。

二、技术参数与性能

2.1 绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于确保其安全可靠运行至关重要。MAX1248/MAX1249的绝对最大额定值包括电源电压、输入电压、输出电流等参数。例如，VDD至AGND、DGND的电压范围为 -0.3V至+6V，AGND至DGND的电压范围为 -0.3V至+0.3V等。在设计电路时，务必确保各引脚的电压和电流不超过这些额定值，以免造成器件损坏。

2.2 电气特性

• 直流精度：分辨率为10位，相对精度（INL）在不同型号下有所不同，如MAX124A为±0.5LSB，MAX124B为±1.0LSB；差分非线性（DNL）在全温度范围内无丢失码，最大为±1LSB；偏移误差和增益误差也有相应的规定。
• 动态特性：在10kHz正弦波输入、0V至2.500Vp-p、133ksps、2.0MHz外部时钟、双极性输入模式下，信号噪声失真比（SINAD）为66dB，总谐波失真（THD）为 -70dB，无杂散动态范围（SFDR）为70dB，通道间串扰为 -75dB，小信号带宽为2.25MHz，全功率带宽为1.0MHz。
• 转换速率：转换时间根据不同的时钟模式和条件有所不同。例如，内部时钟、SHDN = FLOAT时，转换时间为5.5至7.5µs；内部时钟、SHDN = VDD时，转换时间为35至65µs；外部时钟 = 2MHz、12个时钟/转换周期时，转换时间为6µs。

2.3 时序特性

MAX1248/MAX1249的时序特性包括采集时间、数据建立和保持时间、时钟脉冲宽度等。例如，采集时间（tACQ）为1.5µs，DIN至SCLK的建立时间（tDS）为100ns，SCLK下降沿到输出数据有效的时间（tDO）在不同型号和条件下有所不同。在设计系统时，需要根据这些时序要求来确保数据的正确传输和转换。

三、工作原理

3.1 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 - CH3，IN - 连接到COM；在差分模式下，IN+和IN - 从CH0/CH1和CH2/CH3两对通道中选择。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±0.5LSB（最佳结果为±0.1LSB），可通过连接0.1µF电容到AGND来实现。

3.2 跟踪/保持

跟踪/保持电路在控制字的第5位移入后的时钟下降沿进入跟踪模式，在第8位移入后的时钟下降沿进入保持模式。如果转换器设置为单端输入，IN - 连接到COM，采样“+”输入；如果设置为差分输入，IN - 连接到“ - ”输入，采样|IN+ - IN - |的差值。跟踪/保持的采集时间与输入信号的源阻抗有关，源阻抗越高，采集时间越长。采集时间（tACQ）的计算公式为：[tACQ = 7.6 times (RS + R{IN}) times 16 pF]，其中(R_{IN}=9 k Omega)，(R_S)为输入信号的源阻抗，且tACQ不小于1.5µs。当源阻抗低于3kΩ时，对ADC的交流性能影响不大；若使用更高的源阻抗，可在模拟输入引脚连接0.01µF电容，但会形成RC滤波器，限制ADC的信号带宽。

3.3 转换过程

转换通过将控制字节时钟输入DIN来启动。当CS为低电平时，SCLK的每个上升沿将一位数据从DIN时钟输入到MAX1248/MAX1249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MSB。控制字节的格式包括START、SEL2 - SEL0、UNI/BIP、SGL/DIF、PD1 - PD0等位，用于选择通道、转换模式、时钟模式和电源模式等。

3.4 时钟模式

MAX1248/MAX1249可使用外部串行时钟或内部时钟进行逐次逼近转换。

• 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，逐次逼近位决策在接下来的10个SCLK下降沿出现在DOUT上。当CS为高电平时，SSTRB和DOUT进入高阻态。
• 内部时钟模式：MAX1248/MAX1249内部生成自己的转换时钟，减轻了微处理器运行SAR转换时钟的负担，允许在0MHz至2MHz的任何时钟速率下读取转换结果。SSTRB在转换开始时变为低电平，转换完成后变为高电平，最大低电平时间为7.5µs（(overline{SHDN}= FLOAT)），在此期间SCLK应保持低电平以获得最佳噪声性能。

四、应用要点

4.1 电源上电复位

上电时，如果SHDN未拉低，内部上电复位电路将使MAX1248/MAX1249在内部时钟模式下激活，SSTRB为高电平，准备进行转换。电源稳定后，内部复位时间为10µs，在此期间不应进行转换。

4.2 参考缓冲补偿

SHDN引脚除了具有关机功能外，还可选择内部或外部补偿。外部补偿通过将SHDN浮空实现，使用4.7µF电容在VREF引脚，可确保参考缓冲器的稳定性，允许转换器以2MHz的全时钟速度运行，但会增加上电时间；内部补偿通过将SHDN拉高实现，无需外部电容，上电时间最短，内部时钟模式下最大时钟速率为2MHz，外部时钟模式下为400kHz。

4.3 电源模式选择

可以通过将转换器置于低电流关机状态来节省功率。通过DIN控制字节的PD1和PD0位选择全功率下降或快速功率下降模式（SHDN为高电平或浮空）。全功率下降模式关闭所有消耗静态电流的芯片功能，将电源电流通常降低到2µA；快速功率下降模式关闭除带隙参考外的所有电路，电源电流为30µA。在内部补偿模式下，上电时间可缩短至5µs。

4.4 布局、接地和旁路

为了获得最佳性能，建议使用印刷电路板，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（星型接地点）在AGND，与逻辑接地分开，将所有其他模拟接地和DGND连接到星型接地。在VDD电源引脚附近使用0.1µF和1µF电容旁路到星型接地，以减少电源噪声的影响。如果+3V电源噪声较大，可连接10Ω电阻作为低通滤波器。

4.5 高速数字接口

MAX1248/MAX1249可与QSPI接口，使用特定电路（(f_{SCLK}=2.0 MHz)，(CPOL=0)，(CPHA=0)），并可通过编程对四个通道进行转换，结果存储在内存中，减轻了CPU的负担。此外，还可与TMS320LC3x接口，通过特定的步骤启动转换并读取结果。

五、总结

MAX1248/MAX1249是一款功能强大、性能优越的低功耗4通道10位串行ADC。其丰富的功能和灵活的配置使其适用于多种应用场景。在设计过程中，我们需要充分了解其技术参数、工作原理和应用要点，合理选择电源模式、参考缓冲补偿方式，优化电路板布局和接地，以确保系统的稳定运行和高性能。同时，根据具体的应用需求，选择合适的时钟模式和接口方式，实现与其他设备的有效连接和数据传输。你在使用MAX1248/MAX1249过程中遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。