MAX1061/MAX1063：高性能10位ADC的技术剖析与应用指南

在电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。今天，我们将深入探讨MAXIM公司的MAX1061/MAX1063这两款250ksps、+3V、8/4通道、10位ADC，它们具备+2.5V参考电压和并行接口，在众多应用场景中展现出卓越的性能。

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一、器件概述

MAX1061/MAX1063是低功耗的10位ADC，采用逐次逼近（SAR）转换技术和输入跟踪/保持（T/H）阶段，将模拟输入信号转换为10位数字输出。其并行（8 + 2）输出格式便于与标准微处理器（µPs）接口。这两款器件具有自动掉电、快速唤醒（2µs）、片上时钟、+2.5V内部参考电压等特性，并且VLOGIC引脚允许它们直接与+1.8V至+3.6V的数字电源接口。

1. 关键特性

• 高分辨率与线性度：10位分辨率，±0.5 LSB线性度，确保了精确的模拟 - 数字转换。
• 单电源供电：采用+3V单电源供电，降低了电源设计的复杂度。
• 用户可调逻辑电平：逻辑电平可在+1.8V至+3.6V之间调整，增强了与不同数字系统的兼容性。
• 内部参考电压：提供+2.5V内部参考电压，也支持外部参考电压输入。
• 软件可配置输入：支持单极性/双极性和单端/伪差分操作，通过软件配置模拟输入多路复用器，MAX1061具有8通道单端/4通道伪差分输入，MAX1063具有4通道单端/2通道伪差分输入。
• 低功耗：在不同采样率下具有较低的功耗，如250ksps时为1.9mA，100ksps时为1.0mA，10ksps时为400µA，关断模式下为2µA。
• 小封装尺寸：MAX1061采用28引脚QSOP封装，MAX1063采用24引脚QSOP封装，节省了电路板空间。

2. 应用领域

这些特性使得MAX1061/MAX1063非常适合电池供电和数据采集应用，以及对功耗和空间要求较高的其他电路，如工业控制系统、数据记录、能源管理、患者监测、数据采集系统和触摸屏等。

二、电气特性

1. 直流精度

• 分辨率：10位，能够提供较高的精度。
• 相对精度：MAX106_A型号的INL为±0.5 LSB，MAX106_B型号为±1 LSB。
• 差分非线性：DNL在整个温度范围内无丢失码，最大为±1 LSB。
• 偏移误差和增益误差：偏移误差最大为±2 LSB，增益误差最大为±2 LSB，增益温度系数为±2.0 ppm/°C，通道间偏移匹配最大为±0.1 LSB。

2. 动态特性

• 信号 - 噪声加失真比（SINAD）：在50kHz输入信号、250ksps采样率下，SINAD为60dB。
• 总谐波失真（THD）：包括5次谐波在内，THD为 - 72dB。
• 无杂散动态范围（SFDR）：SFDR为72dB。
• 互调失真（IMD）：在49kHz和52kHz输入信号下，IMD为76dB。
• 通道间串扰：在125kHz输入信号、2.5V P - P电压下，通道间串扰为 - 78dB。
• 全线性带宽：SINAD > 56dB时，全线性带宽为250kHz。
• 全功率带宽： - 3dB滚降时，全功率带宽为3MHz。

3. 转换速率

• 转换时间：外部时钟模式下为3.3µs，外部采集/内部时钟模式下为2.5 - 3.5µs，内部采集/内部时钟模式下为3.2 - 4.1µs。
• 跟踪/保持采集时间：tACQ为625ns。
• 孔径延迟：外部采集或外部时钟模式下为50ns，内部采集/内部时钟模式下小于200ps。
• 外部时钟频率：范围为0.1 - 4.8MHz，占空比为30% - 70%。

4. 电源要求

• 模拟电源电压：VDD范围为2.7 - 3.6V。
• 数字电源电压：VLOGIC范围为1.8V至（VDD + 0.3V）。
• 正电源电流：在不同工作模式和采样率下，电流有所不同，如250ksps采样率、内部参考时为2.3 - 2.6mA，关断模式下为2 - 10µA。
• VLOGIC电流：250ksps采样率、CL = 20pF时为150µA，不转换时为2 - 10µA。
• 电源抑制比：VDD = 3V ±10%、满量程输入时，PSR为±0.4 - ±0.9mV。

三、工作原理

1. 单端和伪差分操作

在单端模式下，IN+内部切换到MAX1061的CH0 - CH7通道或MAX1063的CH0 - CH3通道，IN - 切换到COM。在伪差分模式下，IN+和IN - 从模拟输入对中选择，仅对IN+的信号进行采样，IN - 必须在转换期间相对于GND保持在±0.5 LSB（最佳性能为±0.1 LSB）的稳定范围内。

2. 跟踪/保持阶段

MAX1061/MAX1063的T/H阶段在WR的上升沿进入跟踪模式。在外部采集模式下，下一个WR的上升沿进入保持模式；在内部采集模式下，写入控制字节后时钟的第四个下降沿进入保持模式。

3. 启动转换

通过写入控制字节来启动转换，该控制字节选择多路复用器通道并配置器件为单极性或双极性操作。写入脉冲可以启动采集间隔或启动采集加转换的组合。控制字节中的ACQMOD位提供内部和外部两种采集选项，转换周期在内部或外部时钟或采集模式下均持续13个时钟周期。

4. 读取转换结果

标准中断信号INT用于指示转换结束和有效结果可用。INT在转换完成且输出数据准备好时变为低电平，在第一次读取周期或写入新控制字节时返回高电平。

四、时钟模式选择

1. 内部时钟模式

选择内部时钟模式可减轻微处理器运行SAR转换时钟的负担。将控制字节的D7位设置为1，D6位设置为0，内部时钟频率选定后，转换时间为3.6µs。使用内部时钟模式时，应将CLK引脚拉高或拉低以防止引脚浮空。

2. 外部时钟模式

选择外部时钟模式时，控制字节的D6和D7位必须设置为1。推荐使用100kHz至4.8MHz的时钟频率，占空比为30% - 70%。不建议使用低于100kHz的时钟频率，因为这会导致T/H阶段的保持电容上出现电压下降，从而降低性能。

五、数字接口

1. 输入格式

控制字节在写入命令期间通过D7 - D0引脚锁存到器件中。

2. 输出格式

在单极性模式下，输出格式为二进制；在双极性模式下，输出格式为二进制补码。读取输出数据时，CS和RD必须为低电平。当HBEN = 0时，读取低8位；当HBEN = 1时，读取高2位。

六、应用注意事项

1. 上电复位

上电时，内部上电复位电路使器件处于外部时钟模式，并将INT置高。电源稳定后，内部复位时间为10µs，在此期间不应尝试进行转换。使用内部参考时，VREF需要500µs才能稳定。

2. 内部和外部参考

MAX1061/MAX1063可以使用内部或外部参考电压。内部参考提供+2.5V，允许对参考电压进行小范围调整（±100mV）。外部参考可以直接连接到REF或REFADJ。

3. 掉电模式

通过将转换器置于低电流关断状态来节省功率。可以使用控制字节的D6和D7位选择待机模式或关断模式。在两种软件掉电模式下，并行接口保持活动，但ADC不进行转换。

4. 最大采样率

在4.8MHz的最大时钟频率下，通过每19个时钟周期完成一次转换，可实现250ksps的指定吞吐量。通过先写入控制字开始下一次转换的采集周期，然后从总线读取上一次转换的结果，可以实现高达300ksps的吞吐量，但数据总线在采集或转换期间的切换可能会导致额外的电源噪声，影响10位性能。

5. 布局、接地和旁路

为了获得最佳性能，应使用印刷电路板（PC），避免使用绕线配置。模拟和数字走线应适当分离，避免平行布线，数字信号路径不应布置在ADC封装下方。使用单独的模拟和数字PC板接地部分，并通过一个星点连接两个接地系统。为了降低噪声，应确保接地返回路径具有低阻抗且尽可能短，将数字信号远离敏感的模拟和参考输入。在VDD与星点接地之间使用0.1µF和4.7µF的并联电容进行旁路，以减少电源中的高频噪声。

七、总结

MAX1061/MAX1063以其高性能、低功耗和灵活的配置选项，为电子工程师在各种应用中提供了可靠的模拟 - 数字转换解决方案。在设计过程中，我们需要充分考虑其电气特性、工作原理和应用注意事项，以确保器件能够发挥最佳性能。大家在实际应用中是否遇到过类似ADC的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。