探索MAX1286 - MAX1289：高性能12位ADC的卓越之选

在电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）如同桥梁，连接着现实世界的模拟信号与数字系统。今天，我们深入探讨MAX1286 - MAX1289这一系列12位ADC，看看它如何在众多应用中大放异彩。

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一、产品概述

MAX1286 - MAX1289是Maxim推出的低成本、微功耗、串行输出12位ADC，它有8引脚SOT23和8引脚TDFN两种封装形式。其中，MAX1286/MAX1288采用单 +5V 电源供电，而MAX1287/MAX1289则使用单 +3V 电源。这些ADC具备逐次逼近型ADC、自动关机、快速唤醒（1.4µs）以及高速3线接口等特性。在最大采样率150ksps时，功耗仅为0.5mW（VDD = +2.7V），转换之间的AutoShutdown™功能（0.2µA）能在较低吞吐量下进一步降低功耗。

二、特性亮点

2.1 电源与功耗

• 单电源操作：支持 +3V（MAX1287/MAX1289）和 +5V（MAX1286/MAX1288）单电源供电，适应不同的应用场景。
• 低功耗：在不同采样率下，功耗表现出色。例如，150ksps时为245µA，100ksps时为150µA，10ksps时为15µA，1ksps时为2µA，关机状态下仅0.2µA。

2.2 输入特性

• 真差分跟踪/保持：具备150kHz采样率，能有效处理差分信号。
• 软件可配置单极性/双极性转换：仅MAX1288/MAX1289支持，增加了使用的灵活性。

2.3 接口与时钟

• SPI - /QSPI - /MICROWIRE兼容接口：方便与DSP和处理器连接，实现数据的高效传输。
• 内部转换时钟：内部振荡器精度在4MHz指定时钟速率的10%以内，最大转换时间为3.7µs，减轻了系统微处理器的负担。

2.4 封装形式

提供8引脚SOT23和8引脚TDFN两种封装，满足不同的空间需求。

三、电气特性

3.1 直流精度

• 分辨率：12位，能提供较高的精度。
• 相对精度：INL最大为 ±1.0 LSB。
• 差分非线性：DNL在无漏码情况下最大为 ±1.0 LSB。
• 偏移误差：最大为 ±4 LSB。
• 增益误差：最大为 ±4 LSB。
• 增益温度系数：±0.4 ppm/°C。
• 偏移温度系数：±0.4 ppm/°C。
• 通道间偏移匹配：±0.1 LSB。
• 通道间增益匹配：±0.1 LSB。
• 输入共模抑制：CMR在VCM = 0V到VDD且零刻度输入时为 ±0.1 mV。

3.2 动态特性

• 信噪失真比（SINAD）：典型值为70 dB。
• 总谐波失真（THD）：典型值为 -82 dB。
• 无杂散动态范围（SFDR）：典型值为86 dB。
• 满功率带宽：-3dB点为1 MHz。
• 全线性带宽：SINAD > 68dB时为100 kHz。

3.3 转换速率

• 转换时间：tCONV最大为3.7µs（不包括tACQ）。
• T/H采集时间：tACQ最大为1.4µs。
• 孔径延迟：30 ns。
• 孔径抖动：<50 ps。
• 最大串行时钟频率：fSCLK为8 MHz。
• 占空比：30% - 70%。

3.4 模拟输入

• 输入电压范围：单极性为0到VREF，双极性为 -VREF/2到VREF/2。
• 输入泄漏电流：通道未选中或转换停止时为 ±0.01到 ±1 µA。
• 输入电容：34 pF。

3.5 外部参考输入

• 输入电压范围：VREF为1.0 + 50mV到VDD。
• 输入电流：VREF = +2.5V在150ksps时为16 - 30µA，VREF = +4.096V在150ksps时为26 - 45µA。

3.6 数字输入/输出

• 输入低电压：VIL为0.8 V。
• 输入高电压：VIH为VDD - 1 V。
• 输入泄漏电流：IL为 ±0.01到 ±1.0 µA。
• 输入电容：CIN为15 pF。
• 输出低电压：ISINK = 2mA时为0.4 V，ISINK = 4mA时为0.8 V。
• 输出高电压：ISOURCE = 1.5mA时为VDD - 0.5 V。
• 三态泄漏电流：CNVST = GND时为 ±0.05到 ±10 µA。
• 三态输出电容：CNVST = GND时为15 pF。

3.7 电源要求

• 正电源电压：MAX1286/MAX1288为4.75 - 5.25V，MAX1287/MAX1289为2.7 - 3.6V。
• 正电源电流：不同采样率下有不同的值，如150ksps时，VDD = +3V为245 - 350µA，VDD = +5V为320 - 400µA。
• 关机电流：0.2 - 5µA。
• 正电源抑制：VDD = 5V ±5%且满量程输入时为 ±0.3到 ±1.0 mV，VDD = +2.7V到 +3.6V且满量程输入时为 ±0.4到 ±1.2 mV。

四、引脚说明

PIN	MAX1286/MAX1287	MAX1288/MAX1289	FUNCTION
1	VDD	VDD	正电源电压，需用0.1µF电容旁路到GND
2	AIN1	AIN+	模拟输入通道1（MAX1286/MAX1287）或正模拟输入（MAX1288/MAX1289）
3	AIN2	AIN-	模拟输入通道2（MAX1286/MAX1287）或负模拟输入（MAX1288/MAX1289）
4	GND	GND	接地
5	REF	REF	外部参考电压输入，用0.1µF电容旁路到GND
6	CNVST	CNVST	转换启动，上升沿上电并进入跟踪模式，下降沿进入保持模式并开始转换，还可选择输入通道或极性
7	DOUT	DOUT	串行数据输出，在SCLK下降沿转换，转换完成后呈现MSB，数据全部移出后呈高阻态
8	SCLK	SCLK	串行时钟输入，MSB优先输出数据
-	EP	EP	外露焊盘，可连接到地或不连接

五、工作原理

5.1 转换技术

采用逐次逼近型转换（SAR）技术和片上跟踪 - 保持（T/H）结构，将模拟信号转换为12位数字结果。

5.2 真差分模拟输入T/H

T/H在CNVST上升沿进入跟踪模式，正输入电容连接到相应输入，负输入电容连接到GND（MAX1286/MAX1287）或AIN - （MAX1288/MAX1289）；CNVST下降沿进入保持模式，转换采样的正、负输入电压差。T/H采集输入信号所需时间取决于输入电容充电速度，输入信号源阻抗高时，采集时间会延长，CNVST需保持高电平更长时间。采集时间tACQ计算公式为： [t{ACQ}=9 timesleft(R{S}+R{IN}right) × 24 pF+t{PWR}] 其中，RIN = 1.5kΩ，RS为输入信号源阻抗，tPWR = 1µs为设备上电时间，tACQ不小于1.4µs，源阻抗低于300Ω对ADC交流性能影响不大，高阻抗源可通过延长tACQ或在正、负模拟输入间放置1µF电容来处理。

5.3 通道和模式选择

• MAX1286/MAX1287通道选择：通过CNVST引脚选择AIN1或AIN2。选择AIN1时，驱动CNVST高电平，保持tACQ时间，再驱动低电平进行转换；选择AIN2时，先驱动CNVST高电平至少30ns，再驱动低电平至少30ns，然后再次驱动高电平，保持tACQ时间后驱动低电平进行转换。
• MAX1288/MAX1289模式选择：通过CNVST引脚选择单极性或双极性转换。单极性模式下，AIN + 可超过AIN - 最多VREF，输出格式为直二进制；双极性模式下，任一输入可超过另一输入最多VREF/2，输出格式为二进制补码。选择单极性模式时，驱动CNVST高电平，保持tACQ时间，再驱动低电平进行转换；选择双极性模式时，先驱动CNVST高电平至少30ns，再驱动低电平至少30ns，然后再次驱动高电平，保持tACQ时间后驱动低电平进行转换。

5.4 输入带宽

ADC输入跟踪电路具有1MHz小信号带宽，可利用欠采样技术数字化高速瞬态事件和测量带宽超过ADC采样率的周期性信号。为避免高频信号混叠到感兴趣的频带，建议使用抗混叠滤波。

5.5 模拟输入保护

内部保护二极管将模拟输入钳位到VDD和GND，允许模拟输入引脚在GND - 0.3V到VDD + 0.3V范围内摆动而不损坏。为保证准确转换，两个输入不得超过VDD 50mV或低于GND 50mV。若通道外模拟输入电压超过电源，需将输入电流限制在2mA。

5.6 输出数据格式

12位转换结果以MSB优先格式输出，DOUT在SCLK下降沿转换，所有12位数据必须在CNVST再次转换前移出。MAX1288/MAX1289单极性模式下数据为直二进制，双极性模式下为二进制补码；MAX1286/MAX1287数据始终为直二进制。

六、应用信息

6.1 自动关机模式

CNVST低电平时，MAX1286 - MAX1289默认进入AutoShutdown状态（< 0.2µA）。检测到CNVST上升沿后，器件上电，DOUT置低，进入跟踪模式；检测到下降沿后，进入保持模式并开始转换，最多3.7µs后完成转换，进入关机状态，MSB在DOUT可用。

6.2 外部参考

需要外部参考，使用0.1µF旁路电容可获得最佳性能。参考输入结构允许电压范围为 +1V到VDD + 50mV。

6.3 标准接口连接

具有与SPI、QSPI和MICROWIRE完全兼容的串行接口。若有串行接口，将CPU的串行接口设为master，选择最高8MHz的时钟频率。

6.4 转换步骤

1. 使用CPU的通用I/O线在转换之间保持CNVST低电平。
2. 驱动CNVST高电平以采集AIN1（MAX1286/MAX1287）或单极性模式（MAX1288/MAX1289）；若要采集AIN2（MAX1286/MAX1287）或双极性模式（MAX1288/MAX1289），先驱动CNVST低电平再驱动高电平。
3. 保持CNVST高电平1.4µs。
4. 驱动CNVST低电平，等待约3.7µs完成转换，3.7µs后MSB在DOUT可用。
5. 激活SCLK至少12个上升沿，DOUT在SCLK下降沿转换，以MSB优先格式输出，在SCLK上升沿将数据时钟输入到µP。

6.5 不同接口连接

• SPI和MICROWIRE接口：设置CPOL = CPHA = 0，需两次8位读取以获得完整12位结果，DOUT数据在串行时钟下降沿转换，在SCLK上升沿时钟输入到µP。
• QSPI接口：使用高速QSPI接口（CPOL = 0，CPHA = 0），支持最大8MHz的fSCLK，一次12 - 16位读取可获得完整12位结果，DOUT数据在串行时钟下降沿转换，在SCLK上升沿时钟输入到µP。
• PIC16和SSP模块及PIC17接口：与PIC16/PIC17 µC兼容，使用同步串行端口（SSP）模块。建立SPI通信时，按特定方式连接控制器并配置PIC16/PIC17为系统master，需两次连续8位读取以获得完整12位结果。

6.6 布局、接地和旁路

为获得最佳性能，建议使用印刷电路板（PC），避免使用绕线配置。确保模拟和数字走线适当分离，不平行布置模拟和数字线，不在ADC封装下方布置数字信号路径。使用单独的模拟和数字PC板接地部分，仅通过一个星点连接两个接地系统。为实现低噪声操作，确保返回星型接地电源的接地阻抗低且路径尽可能短，将数字信号远离敏感的模拟和参考输入。在电源（VDD）与星型接地之间使用0.1µF电容旁路，电容应尽可能靠近MAX1286 - MAX1289的电源引脚，最小化电容引线长度以获得最佳电源噪声抑制。若电源噪声极大，可添加5Ω衰减电阻。

七、定义与计算

7.1 积分非线性（INL）

INL是实际传输函数值与直线的偏差，直线可以是最佳拟合直线或抵消偏移和增益误差后传输函数端点之间的直线。MAX1286 - MAX1289的静态线性参数使用端点法测量。

7.2 差分非线性（DNL）

DNL是实际步长与理想值1 LSB的差值。DNL误差规格小于1 LSB可保证无漏码和单调传输函数。

7.3 孔径定义

• 孔径抖动（tIAJ）：采样之间时间的样本间变化。
• 孔径延迟（tAD）：采样时钟上升沿与实际采样时刻之间的时间。

7.4 信噪比（SNR）

对于从数字样本完美重建的波形，SNR是满量程模拟输入（RMS值）与RMS量化误差（残差误差）的比值。理想情况下，理论最小模数噪声仅由量化误差引起，直接取决于ADC的分辨率（N位），计算公式为： [SNR =(6.02 × N+1.76) dB] 实际中，除量化噪声外还有其他噪声源，如热噪声、参考噪声、时钟抖动等。SNR通过RMS信号与RMS噪声的比值计算，噪声包括除基波、前五次谐波和直流偏移外的所有频谱分量。

7.5 信噪失真比（SINAD）

SINAD是输入基频的RMS幅度与所有其他ADC输出信号的RMS等效值的比值，计算公式为： [SINAD (dB)=20 × log (Signal / Noise_{RMS} )]

7.6 有效位数（ENOB）

ENOB表示ADC在特定输入频率和采样率下的全局精度。理想ADC的误差仅由量化噪声组成，当输入范围等于ADC的满量程范围时，有效位数计算公式为： [ENOB =(SINAD-1.76) / 6.02]

7.7 总谐波失真（THD）

THD是输入信号前五次谐波的RMS和与基波本身的比值，计算公式为： [THD=20 × log left(sqrt{frac{V{2}^{2}+V{3}^{2}+V{4}^{2}+V{5}^{2}}{V_{1}}