探索MAX1248/MAX1249：低功耗4通道10位串行ADC的卓越性能与应用

在电子设计领域，模拟到数字的转换是一个至关重要的环节，它直接影响着系统的数据采集与处理能力。今天，我们将深入探讨MAXIM公司推出的MAX1248/MAX1249这两款+2.7V至+5.25V低功耗、4通道、串行10位ADC，了解它们的特性、工作原理以及应用场景。

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一、产品概述

MAX1248/MAX1249是两款功能强大的10位数据采集系统，它们将4通道多路复用器、高带宽跟踪/保持电路和串行接口集于一身，具备高转换速度和低功耗的显著优势。这两款ADC采用单+2.7V至+5.25V电源供电，其模拟输入可通过软件配置实现单极性/双极性以及单端/差分操作，为不同的应用场景提供了灵活的选择。

1.1 接口特性

它们拥有4线串行接口，能够直接与SPI™/QSPI™和MICROWIRE™设备相连，无需额外的外部逻辑。此外，串行选通输出允许直接连接到TMS320系列数字信号处理器，方便实现数据的传输与处理。

1.2 参考电压

MAX1248内置2.5V参考电压，而MAX1249则需要外部参考电压。两款器件都配备了参考缓冲放大器，其电压调整范围为±1.5%，可根据实际需求进行灵活调整。

1.3 低功耗设计

这两款ADC提供了硬连线的SHDN引脚和软件可选的掉电模式，并且可以编程实现转换结束后自动关机。访问串行接口时，MAX1248/MAX1249会自动上电，其快速开启时间使得它们可以在每次转换之间关机，在降低采样率的情况下，可将电源电流降低至60µA以下，有效节省了功耗。

1.4 封装形式

MAX1248/MAX1249提供16引脚DIP和非常小的QSOP封装，其中QSOP封装占用的电路板面积与8引脚SO封装相同，节省了电路板空间。

二、关键特性

2.1 输入通道

具备4通道单端或2通道差分输入，可根据实际应用需求选择合适的输入方式。

2.2 电源与功耗

• 宽电源范围：支持单+2.7V至+5.25V电源供电，适应不同的电源环境。
• 低功耗：在不同的工作模式下，功耗表现出色。例如，在133ksps、+3V电源时，功耗为1.2mA；在1ksps、+3V电源时，功耗为54µA；在掉电模式下，功耗仅为1µA。

2.3 兼容性

与SPI/QSPI/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进行接口连接。

2.4 输入模式

软件可配置单极性或双极性输入，满足不同的信号采集需求。

2.5 封装优势

采用16引脚QSOP封装，与8引脚SO封装占用相同的电路板面积，节省空间。

三、电气特性

3.1 直流精度

• 分辨率：10位分辨率，能够提供较高的测量精度。
• 相对精度：MAX124A的相对精度为±0.5 LSB，MAX124B为±1.0 LSB。
• 差分非线性：无漏码，差分非线性为±1 LSB。
• 偏移误差和增益误差：不同型号的偏移误差和增益误差有所不同，具体可参考数据手册。
• 增益温度系数：±0.25 ppm/°C，保证了在不同温度环境下的稳定性。
• 通道间偏移匹配：±0.05 LSB，确保各通道之间的一致性。

3.2 动态特性

• 信噪失真比（SINAD）：66 dB，能够有效抑制噪声干扰，提高信号质量。
• 总谐波失真（THD）：高达-70 dB，减少了谐波对信号的影响。
• 无杂散动态范围（SFDR）：70 dB，提供了更纯净的信号输出。
• 通道间串扰：-75 dB，降低了通道之间的相互干扰。
• 小信号带宽：2.25 MHz，可处理高频信号。
• 满功率带宽：1.0 MHz，满足一定的功率要求。

3.3 转换速率

• 转换时间：根据不同的时钟模式和条件，转换时间有所不同，例如内部时钟、SHDN = FLOAT时，转换时间为5.5 - 7.5 µs。
• 跟踪/保持采集时间：1.5 µs，能够快速采集信号。
• 孔径延迟：30 ns，确保信号采集的准确性。
• 孔径抖动：<50 ps，减少了抖动对信号的影响。
• 内部时钟频率：SHDN = FLOAT时为1.8 MHz，SHDN = VDD时为0.225 MHz。
• 外部时钟频率：范围为0.1 - 2.0 MHz，数据传输时为0 - 2.0 MHz。

3.4 其他特性

• 模拟/COM输入：输入电压范围可根据单极性或双极性模式进行配置，多路复用器泄漏电流小，输入电容为16 pF。
• 内部参考（仅MAX1248）：VREF输出电压在TA = +25°C时为2.470 - 2.530 V，短电路电流为30 mA，温度系数为±30 ppm/°C，负载调节性能良好。
• 外部参考：VREF输入电压范围为1.0 - VDD + 50mV，输入电流和电阻在一定范围内，掉电时输入电流较小。
• 数字输入输出：输入高、低电压和滞后电压等参数符合规定，输出电压低和高在不同负载电流下有相应的值，三态泄漏电流和输出电容较小。
• 电源要求：正电源电压范围为2.70 - 5.25 V，不同工作模式下的正电源电流不同，电源抑制能力为±0.3 mV。

四、工作原理

4.1 转换技术

MAX1248/MAX1249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。通过内部控制逻辑和时钟信号，实现信号的采集、转换和数据输出。

4.2 伪差分输入

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。这种伪差分输入配置在转换过程中，只有IN+的信号被采样，IN-需要在转换期间保持相对于AGND的稳定性，通常通过连接0.1µF电容来实现。

4.3 跟踪/保持

T/H电路在控制字的特定位时钟输入后进入跟踪和保持模式。在跟踪模式下，选择的正输入（IN+）对电容CHOLD充电；在保持模式下，T/H开关打开，保持CHOLD上的电荷作为IN+信号的采样。跟踪/保持的采集时间取决于输入信号的源阻抗和输入电容，计算公式为[t{ACQ} = 7.6 times (R{S} + R{IN}) times 16 pF]，其中(R{IN}=9 k Omega) ，(R{S})为输入信号的源阻抗，且(t{ACQ})不小于1.5µs。当源阻抗低于3kΩ时，对ADC的交流性能影响较小；若使用更高的源阻抗，可通过连接0.01µF电容到各个模拟输入来解决，但会形成RC滤波器，限制ADC的信号带宽。

4.4 启动转换

通过将控制字节时钟输入到DIN来启动转换。当CS为低电平时，SCLK的每个上升沿将DIN的一位时钟输入到内部移位寄存器。CS下降后，第一个到达的逻辑“1”位定义控制字节的MSB，在此之前输入的逻辑“0”位无影响。控制字节的格式包括通道选择、单极性/双极性模式、单端/差分模式、时钟和掉电模式等信息。

4.5 时钟模式

• 外部时钟模式：外部时钟不仅用于数据的移位输入和输出，还驱动模拟到数字的转换步骤。SSTRB在控制字节的最后一位后脉冲高电平一个时钟周期，随后的10个SCLK下降沿进行逐次逼近位决策并在DOUT输出结果。当CS为高电平时，SSTRB和DOUT进入高阻态。此模式适用于串行时钟频率较高且稳定的情况，但如果串行时钟频率低于100kHz或可能出现中断导致转换间隔超过120µs，建议使用内部时钟模式。
• 内部时钟模式：MAX1248/MAX1249内部生成转换时钟，减轻了微处理器的负担，允许以0MHz到2MHz的任意时钟速率读取转换结果。SSTRB在转换开始时变为低电平，转换完成后变为高电平，最大低电平持续时间为7.5µs（(overline{SHDN}= FLOAT) ），在此期间SCLK保持低电平可获得最佳噪声性能。转换过程中数据存储在内部寄存器中，转换完成后SCLK可随时将数据从寄存器中时钟输出。CS在转换开始后不需要保持低电平，拉高CS可防止数据输入并使DOUT处于三态，但不影响已开始的内部时钟模式转换。

五、应用信息

5.1 上电复位

上电时，如果SHDN未拉低，内部上电复位电路将激活MAX1248/MAX1249使其进入内部时钟模式，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。上电后SSTRB为高电平，若CS为低电平，DIN上的第一个逻辑1被解释为起始位，转换开始前DOUT输出零。

5.2 参考缓冲补偿

SHDN除了具有掉电功能外，还可选择内部或外部补偿。外部补偿通过将SHDN浮空选择，典型工作电路在VREF使用4.7µF电容，可确保参考缓冲器的稳定性并允许转换器以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拉高选择，不需要在VREF使用外部电容，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。

5.3 掉电模式选择

通过将转换器置于低电流掉电状态可节省功率。可通过DIN控制字节的第1和第0位选择完全掉电或快速掉电模式（SHDN为高电平或浮空），在两种软件掉电模式下，串行接口仍可工作，但ADC不进行转换。将SHDN拉低可完全关闭转换器，且SHDN优先级高于控制字节的第1和第0位。完全掉电模式关闭所有消耗静态电流的芯片功能，使电源电流通常降至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，在内部补偿模式下上电时间可缩短至5µs。

5.4 内部和外部参考

MAX1248可使用内部或外部参考电压，而MAX1249需要外部参考电压。外部参考电压可直接连接到VREF或REFADJ引脚。内部缓冲器设计为为MAX1248和MAX1249在VREF提供2.5V电压。MAX1248的内部校准1.21V参考电压通过增益为2.06的缓冲器提供；MAX1249的REFADJ引脚也通过增益为2.06的缓冲器将外部1.25V参考电压转换为2.5V在VREF输出。

5.5 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），将所有其他模拟接地和DGND连接到星型接地，避免其他数字系统接地连接到该接地。为减少VDD电源中的高频噪声对ADC高速比较器的影响，在MAX1248/MAX1249引脚1附近使用0.1µF和1µF电容将电源旁路到星型接地，并尽量减少电容引脚长度以提高电源噪声抑制能力。若+3V电源噪声较大，可连接10Ω电阻作为低通滤波器。

5.6 高速数字接口

• QSPI接口：MAX1248/MAX1249可通过特定电路（(f_{SCLK}=2.0 MHz) ，(CPOL=0) ，(CPHA=0) ）与QSPI接口，该QSPI电路可编程对四个通道进行转换，并将结果存储在内存中，减轻CPU负担，因为QSPI集成了自己的微序列器。两款器件在最大外部时钟频率2MHz以下与QSPI兼容。
• TMS320LC3x接口：可通过特定电路将MAX1248/MAX1249与TMS320在外部时钟模式下接口。具体操作步骤包括配置TMS320的时钟、将MAX1248/MAX1249的CS引脚拉低、写入8位字启动转换并进入外部时钟模式、监测SSTRB输出、读取转换结果以及拉高CS禁用器件等待下一次转换。

六、总结

MAX1248/MAX1249以其高集成度、低功耗、高性能和灵活的配置选项，成为众多数据采集应用的理想选择。无论是便携式数据记录、医疗仪器、笔式数字化仪，还是电池供电仪器和系统监控等领域，这两款ADC都能发挥出色的性能。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择输入模式、时钟模式、参考电压和掉电模式，并注意电路板的布局、接地和旁路等问题，以充分发挥其优势，实现高效、准确的数据采集与处理。

你在实际项目中使用过类似的ADC吗？遇到过哪些挑战和解决方案呢？欢迎在评论区分享你的经验和观点。