MAX1204：5V 8 通道串行 10 位 ADC 解析

在电子设计领域，模数转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。今天，我们就来深入了解一款功能强大的 ADC——Maxim Integrated 的 MAX1204。

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一、产品概述

MAX1204 是一款专门为混合 +5V（模拟）和 +3V（数字）电源电压应用设计的 10 位数据采集系统。它具有 8 通道多路复用器、内部跟踪/保持电路和串行接口，能够以高转换速度和低功耗运行。其 4 线串行接口可直接连接到 SPI/MICROWIRE® 设备，无需外部逻辑，串行选通输出还能直接连接到 TMS320 系列数字信号处理器。

二、产品特性

2.1 输入通道与供电

• 输入通道：具备 8 通道单端或 4 通道差分输入，为不同的应用场景提供了灵活的选择。
• 供电方式：可采用 +5V 单电源或 ±5V 双电源供电，适应多种电源环境。

2.2 输出逻辑与功耗

• 输出逻辑：用户可调节输出逻辑电平（2.7V 至 5.25V），方便与不同逻辑电平的设备接口。
• 低功耗：工作模式下电流仅为 1.5mA，掉电模式下更是低至 2µA，非常适合电池供电的设备。

2.3 其他特性

• 内部资源：拥有内部跟踪/保持电路，采样率可达 133kHz，内部还集成了 4.096V 参考电压。
• 接口兼容性：SPI/MICROWIRE/TMS320 兼容的 4 线串行接口，方便与各种微处理器和数字信号处理器连接。
• 输入模式：软件可配置单极性/双极性输入，满足不同信号类型的采集需求。
• 封装形式：提供 20 引脚 PDIP/SSOP 封装，并且有 12 位升级型号 MAX1202 可供选择。

三、电气特性

3.1 直流精度

• 分辨率：10 位分辨率，能够提供较为精确的数字输出。
• 相对精度：MAX1204A 的相对精度为 ±0.5 LSB，MAX1204B 为 ±1.0 LSB，且在整个温度范围内无丢失码。
• 差分非线性：DNL 为 ±1.0 LSB。
• 偏移误差和增益误差：MAX1204A 的偏移误差和增益误差均为 ±1.0 LSB，MAX1204B 为 ±2.0 LSB。
• 增益温度系数：±0.8 ppm/°C，保证了在不同温度环境下的稳定性。

3.2 动态特性

• 信噪失真比：SINAD 为 66 dB，能够有效抑制噪声和失真。
• 总谐波失真：THD 低至 -70 dB，保证了信号的质量。
• 无杂散动态范围：SFDR 为 70 dB，提供了良好的动态性能。
• 通道间串扰：-75 dB，减少了通道间的相互干扰。
• 带宽：小信号带宽 -3dB 滚降为 4.5 MHz，全功率带宽为 800 kHz。

3.3 转换速率

• 转换时间：内部时钟模式下为 5.5 - 10 µs，外部时钟 2MHz、12 时钟/转换时为 6 µs。
• 跟踪/保持采集时间：tACQ 为 1.5 µs。
• 孔径延迟：10 ns，孔径抖动 <50 ps。
• 内部时钟频率：外部补偿模式下为 1.7 MHz，内部补偿模式下为 0.1 - 0.4 MHz。
• 外部时钟频率范围：用于数据传输时为 0 - 2.0 MHz。

3.4 模拟输入

• 输入电压范围：单端和差分输入范围为 ±VREF / 2 至 VREF，根据不同的供电和输入模式进行选择。
• 多路复用器泄漏电流：±0.01 - ±1 µA。
• 输入电容：16 pF。

3.5 内部参考

• REF 输出电压：在 TA = +25°C 时为 4.076 - 4.096 - 4.116 V。
• REF 短路电流：30 mA。
• VREF 温度系数：不同型号有所差异，如 MAX1204AC 为 ±30 - ±50 ppm/°C。
• 负载调节：0mA 至 0.5mA 输出负载时为 2.5 mV。

3.6 电源要求

• 正电源电压：VDD 为 5 ±5% V。
• 负电源电压：VSS 为 0 或 -5 ±5% V。
• 正电源电流：工作模式下为 1.5 - 2.5 mA，快速掉电模式下为 30 - 70 µA，完全掉电模式下为 2 - 10 µA。
• 负电源电流：工作模式和快速掉电模式下为 50 µA，完全掉电模式下为 10 µA。
• 逻辑电源电压：VL 为 2.70 - 5.25 V。
• 逻辑电源电流：VL = VDD = 5V 时为 10 µA。
• 电源抑制比：正电源、负电源和逻辑电源的抑制比在特定条件下为 ±0.06 - ±0.5 mV。

四、引脚配置与功能

PIN	NAME	FUNCTION
1–8	CH0–CH7	采样模拟输入
9	VSS	负电源电压，可连接 -5V ±5% 或 GND
10	SHDN	三级关断输入，控制芯片的工作状态和参考缓冲放大器的补偿模式
11	REF	参考缓冲输出/ADC 参考输入，可选择内部或外部参考模式
12	REFADJ	参考缓冲放大器的输入，可用于禁用内部缓冲
13	GND	接地，单端转换的 IN- 输入
14	VL	数字输出引脚的电源电压，决定数字输出的正摆幅
15	DOUT	串行数据输出，在 SCLK 下降沿输出数据
16	SSTRB	串行选通输出，指示转换状态
17	DIN	串行数据输入，在 SCLK 上升沿输入数据
18	CS	低电平有效芯片选择，控制数据的输入
19	SCLK	串行时钟输入，控制数据的输入和输出
20	VDD	正电源电压，+5V ±5%

五、工作原理

5.1 转换技术

MAX1204 采用逐次逼近转换技术和输入跟踪/保持（T/H）电路，将模拟信号转换为 10 位数字输出。在采集间隔内，选择的正输入通道对电容 CHOLD 充电，采集间隔结束后，T/H 开关打开，保持 CHOLD 上的电荷作为输入信号的样本。转换间隔开始时，输入多路复用器将 CHOLD 从正输入切换到负输入，电容 DAC 在转换周期的剩余时间内进行调整，以将比较器输入节点 ZERO 恢复到 0V，从而形成模拟输入信号的数字表示。

5.2 跟踪/保持

T/H 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。输入信号的采集时间取决于输入电容的充电速度，源阻抗过高会增加采集时间。采集时间 (t{ACO}) 可通过公式 (t{ACO}=7 timesleft(R{S}+R{IN}right) × 16 pF) 计算，其中 (R{IN}=9 k Omega)，(R{S}) 为输入信号的源阻抗，且 (t_{ACO}) 不小于 1.5µs。

5.3 输入带宽

ADC 的输入跟踪电路具有 4.5MHz 的小信号带宽，可通过欠采样技术对高速瞬态事件进行数字化和测量带宽超过采样率的周期性信号。为避免高频信号混叠，建议使用抗混叠滤波。

5.4 模拟输入范围和输入保护

内部保护二极管可将模拟输入钳位在 (VSS - 0.3V) 至 (VDD + 0.3V) 范围内，避免损坏。但为保证满量程附近的精确转换，输入不得超过 VDD 50mV 或低于 VSS 50mV。如果模拟输入超过电源 50mV，应避免偏置非通道的保护二极管超过 2mA，以免影响通道转换精度。

六、应用信息

6.1 电源复位

上电时，如果 SHDN 未拉低，内部上电复位电路将使 MAX1204 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 100µs，在此期间不应进行转换。

6.2 参考缓冲补偿

SHDN 引脚不仅可用于关断，还可选择内部或外部补偿。外部补偿通过浮空 SHDN 实现，使用 4.7µF 电容可确保稳定性并允许 2MHz 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，但外部时钟最高仅支持 400kHz。

6.3 掉电模式

可通过 DIN 控制字节的第 1 和第 0 位选择全掉电或快速掉电模式，SHDN 拉低可完全关断转换器。全掉电模式可将芯片所有消耗静态电流的功能关闭，IDD 和 ISS 通常降至 2µA；快速掉电模式关闭除带隙参考外的所有电路，电源电流为 30µA，内部补偿模式下上电时间可缩短至 5µs。

6.4 外部和内部参考

MAX1204 可使用内部或外部参考。内部参考提供 4.096V 满量程范围，可通过电路调整 ±1.5%；外部参考可连接到 REF 或 REFADJ 引脚，使用 REFADJ 输入可无需外部参考缓冲，使用 REF 输入时需禁用内部缓冲。

6.5 布局、接地和旁路

为获得最佳性能，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）线平行或数字线位于 ADC 封装下方。建立单点模拟接地，将所有其他模拟接地连接到该点，使用 0.1µF 和 4.7µF 旁路电容将电源旁路到单点模拟接地，以减少电源噪声的影响。

七、应用示例

7.1 简单软件接口

• 确保 CPU 的串行接口运行在主模式，选择 100kHz 至 2MHz 的时钟频率。
• 设置外部时钟模式的控制字节 TB1，格式为 1XXXXX11 二进制。
• 使用 CPU 的通用 I/O 线将 MAX1204 的 CS 拉低。
• 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 MAX1204 的 CS 拉高。

7.2 TMS320CL3x 接口

• 配置 TMS320 的 CLKX 为有源高输出时钟，CLKR 为有源高输入时钟，并将其与 MAX1204 的 SCLK 输入连接。
• 使用 TMS320 的 XF_ I/O 端口将 MAX1204 的 CS 拉低，使数据能够时钟输入到 MAX1204 的 DIN。
• 向 MAX1204 写入 8 位字 (1XXXXX11) 以启动转换并将设备置于外部时钟模式。
• 通过 TMS320 的 FSR 输入监控 MAX1204 的 SSTRB 输出，SSTRB 输出的下降沿表示转换正在进行且数据准备好接收。
• TMS320 在 SCLK 的接下来 16 个上升沿读取一个数据位，这些数据位代表 10 位转换结果，后面跟着两个子位和四个尾随位，应忽略。
• 将 CS 拉高以禁用 MAX1204，直到下一次转换启动。

MAX1204 以其丰富的特性、良好的电气性能和灵活的应用方式，为电子工程师在数据采集、过程控制、电池供电仪器等领域提供了一个优秀的选择。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择电源、参考、掉电模式等参数，并注意布局、接地和旁路等问题，以充分发挥 MAX1204 的性能。你在使用 MAX1204 或其他 ADC 时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。