MAX11208：20位单通道超低功耗Delta - Sigma ADC的技术解析

在电子设计领域，对于高精度、低功耗的模拟 - 数字转换器（ADC）的需求日益增长。今天我们要深入探讨的MAX11208，就是一款满足这些需求的优秀产品。

文件下载：MAX11208.pdf

一、产品概述

MAX11208是一款超低功耗（有源电流 < 300μA）、高分辨率的串行输出ADC。它在单位功率下提供了业界最高的分辨率，非常适合那些需要高动态范围且低功耗的应用，比如4mA - 20mA工业控制回路上的传感器。该芯片工作温度范围为 - 40°C至 + 85°C，采用节省空间的10引脚µMAX封装，并提供简单的2线串行接口。

二、关键特性

高分辨率

• 20位满量程分辨率：在不同采样率下展现出出色的性能。在13.75sps时，MAX11208B可实现20位无噪声分辨率；在120sps时，MAX11208A能达到19位无噪声分辨率。
• 低噪声：MAX11208B的噪声仅为720nVRMS，这使得它在高精度测量中表现优异。
• 高精度：积分非线性（INL）为3ppm，且无丢失码，保证了测量的准确性。

超低功耗

• 工作模式电流：最大电流消耗 < 300μA，而睡眠模式电流消耗 < 0.1μA，大大降低了功耗，适合电池供电的应用。
• 宽电压范围：模拟电源电压范围为2.7V - 3.6V，数字和I/O电源电压范围为1.7V - 3.6V，增加了设计的灵活性。

其他特性

• 全差分信号输入和参考输入：提高了抗干扰能力，增强了测量的稳定性。
• 内部系统时钟：MAX11208A为2.4576MHz，MAX11208B为2.2528MHz，也支持外部时钟输入。
• 2线串行接口：方便与其他设备进行通信，简化了电路设计。
• 按需偏移和增益自校准：确保测量的准确性，减少误差。
• ESD保护：±2kV的ESD保护，提高了芯片的可靠性。
• 环保封装：采用无铅（Pb）且符合RoHS标准的µMAX封装。

三、电气特性

ADC性能

• 无噪声分辨率：MAX11208A为19位，MAX11208B为20位。
• 热噪声：MAX11208A为2.1μVRMS，MAX11208B为0.72μVRMS。
• 积分非线性：在 - 10ppmFSR至 + 10ppmFSR之间。
• 零误差：校准后在 - 13ppmFSR至 + 13ppmFSR之间。
• 零漂移：典型值为50nV/°C。
• 满量程误差：校准后在 - 30ppmFSR至 + 30ppmFSR之间。
• 满量程误差漂移：典型值为0.05ppmFSR/°C。
• 电源抑制比：AVDD直流抑制为70 - 80dB，DVDD直流抑制为90 - 100dB。

模拟输入和参考输入

• 共模抑制：直流抑制为90 - 123dB，对50Hz/60Hz的抑制能力也很强。
• 正常模式50Hz/60Hz抑制：MAX11208B在50Hz时为65 - 80.5dB，60Hz时为73 - 87dB。
• 共模电压范围：在GND至AVDD之间。
• 绝对输入电压：低输入电压为GND - 30mV，高输入电压为AVDD + 30mV。
• 直流输入泄漏：睡眠模式下为±1μA。
• AIN动态输入电流：典型值为5μA。

逻辑输入和输出

• 输入电流：输入泄漏电流为±1μA。
• 输入低电压：VIL为0.3 x VDVDD。
• 输入高电压：VIH为0.7 x VDVDD。
• 输入滞后：VHYS为200mV。
• 外部时钟：MAX11208A为2.4576MHz，MAX11208B为2.2528MHz。
• 输出低电平：IOL = 1mA时，VOL为0.4V。
• 输出高电平：IOH = 1mA时，VOH为0.9 x VDVDD。
• 浮动状态泄漏电流：输出泄漏电流为±10μA。
• 浮动状态输出电容：为9pF。

电源要求

• 模拟电源电压：AVDD为2.7 - 3.6V。
• 数字电源电压：DVDD为1.7 - 3.6V。
• 总工作电流：AVDD + DVDD为230 - 300μA。
• DVDD工作电流：为45 - 60μA。
• AVDD工作电流：为185 - 245μA。
• AVDD睡眠电流：为0.4 - 2μA。
• DVDD睡眠电流：为0.35 - 2μA。

2线串行接口时序特性

• SCLK频率：最大为5MHz。
• SCLK脉冲宽度低：在5MHz时钟下，占空比为60/40时为80ns。
• SCLK脉冲宽度高：在5MHz时钟下，占空比为40/60时为80ns。
• SCLK上升沿到数据有效转换时间：为40ns。
• SCLK上升沿数据保持时间：为3ns。
• RDY/DOUT下降到SCLK上升沿时间：为0ns。
• 下一次数据更新时间（无读取允许）：MAX11208A为155μs，MAX11208B为169μs。
• 数据转换时间：MAX11208A为8.6 - 73ms，MAX11208B为208.3 - 256.1ms。
• 校准开始后数据准备时间（CAL + CNV）：MAX11208A为208.4ms，MAX11208B为256.2ms。
• RDY/DOUT变低后SCLK高电平激活睡眠模式时间：MAX11208A为0 - 8.6ms，MAX11208B为0 - 73ms。
• 从睡眠模式唤醒后数据准备时间：MAX11208A为8.6 - 73ms，MAX11208B为8.6 - 73ms。

四、典型工作特性

通过一系列图表展示了MAX11208在不同电压和温度条件下的工作特性，包括模拟有源电流、模拟睡眠电流、数字有源电流、数字睡眠电流、内部振荡器频率、偏移误差、满量程误差、积分非线性、电源抑制比、共模抑制比、正常模式频率响应等。这些特性有助于工程师在不同的应用场景中更好地使用该芯片。

五、引脚配置和功能

MAX11208采用10引脚µMAX封装，各引脚功能如下：

• GND：接地，为模拟和数字电路提供接地参考。
• REFP：差分参考正输入，连接到AVDD和GND之间的电压，且必须比REFN更正。
• REFN：差分参考负输入，连接到AVDD和GND之间的电压，且必须比REFP更负。
• AINN：负全差分模拟输入。
• AINP：正全差分模拟输入。
• AVDD：模拟电源电压，连接 + 2.7V至 + 3.6V的电源。
• DVDD：数字电源电压，连接 + 1.7V至 + 3.6V的数字电源。
• RDY/DOUT：数据就绪输出/串行数据输出，具有双重功能，在数据就绪时RDY为低电平，数据在SCLK下降沿改变。
• SCLK：串行时钟输入，用于提供外部串行时钟。
• CLK：外部时钟信号输入，当由外部时钟驱动时，内部时钟关闭。

六、详细工作原理

上电复位（POR）

MAX11208在数字电源（DVDD）和模拟电源（AVDD）上都采用了上电复位（POR）电路。数字POR触发阈值约为1.2V，具有100mV的滞后；模拟POR触发阈值约为1.25V，也具有100mV的滞后。当数字POR触发时，芯片会进行自校准操作，为了确保校准准确，REFP和REFN引脚需要有稳定的参考电压。

模拟输入

芯片接受两个模拟输入（AINP和AINN），调制器输入范围为双极性（ - VREF至 + VREF）。

内部振荡器

MAX11208内置了高度稳定的内部振荡器，为系统提供时钟。系统时钟运行内部状态机，MAX11208A的时钟频率为2.4576MHz，MAX11208B为2.2528MHz。内部振荡器时钟会被分频以驱动数字和模拟时序。

参考

芯片提供差分输入REFP和REFN，用于连接外部参考电压。VREFp和VREFN的共模电压范围在0至VAVDD之间，REFP和REFN的差分电压范围为1V至VAVDD。

数字滤波器

芯片包含一个片上数字低通滤波器，采用SINC4 - (sin x / x)⁴响应处理来自调制器的1位数据流。在单周期转换模式下，转换周期结束时滤波器会复位；在连续转换潜伏模式下，滤波器不会复位。SINC4滤波器的 - 3dB频率等于数据速率的24%。

串行数字接口

MAX11208通过2线串行接口进行通信，具有时钟输入和数据输出。输出速率根据封装选项预先确定，MAX11208A为120sps，MAX11208B为13.75sps。

2线接口操作模式

• 每次转换后读取数据：RDY/DOUT用于指示数据就绪并输出数据。数据以二进制补码格式、MSB优先的方式输出。读取20位数据后，提供第25个SCLK脉冲可使RDY/DOUT恢复到空闲高电平状态。
• 读取数据后进行自校准：读取24位转换数据后，提供第25个SCLK脉冲使RDY/DOUT变高，再提供第26个SCLK脉冲可启动自校准程序。
• 读取数据后进入睡眠模式：在RDY/DOUT变低后，将SCLK置为高电平可使芯片进入睡眠模式。退出睡眠模式时，将SCLK置为低电平，芯片重新开始转换。
• 单转换模式：在转换之间激活和停用睡眠模式，可降低功耗。
• 唤醒时自校准的单转换模式：睡眠模式结束后，所有数据位移出并提供第25个SCLK脉冲使RDY/DOUT变高，第26个SCLK保持高电平直到需要唤醒芯片。唤醒后芯片自动进行自校准，数据准备好时RDY/DOUT变低。

七、应用信息

文档中给出了RTD温度测量电路和电阻桥测量电路的示例，展示了MAX11208在实际应用中的使用方法。

八、总结

MAX11208以其高分辨率、超低功耗、宽电压范围、丰富的功能和灵活的接口，为电子工程师在传感器测量、便携式仪器、电池应用和称重秤等领域的设计提供了一个优秀的选择。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用需求，合理配置芯片的参数和工作模式，以充分发挥其性能优势。大家在使用MAX11208的过程中，有没有遇到过什么特别的问题或者有独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。