MAX1300/MAX1301：8 与 4 通道、±3 x VREF 多量程输入的 16 位串行 ADC

在电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）是连接模拟世界与数字世界的关键桥梁。今天，我们将深入探讨 Maxim Integrated 推出的 MAX1300 和 MAX1301 这两款 16 位串行 ADC，它们在工业控制、数据采集等众多领域有着广泛的应用。

文件下载：MAX1301.pdf

一、产品概述

MAX1300 和 MAX1301 是多量程、低功耗的 16 位逐次逼近型 ADC，采用单 +5V 电源供电，最高吞吐量可达 115ksps。它们拥有独立的数字电源，能与 2.7V 至 5.25V 的系统进行数字接口通信，通过 SPI - /QSPI™ - /MICROWIRE® 兼容的串行接口实现数据传输。

1. 通道配置

MAX1300 提供 8 个单端或 4 个真差分模拟输入通道，而 MAX1301 则提供 4 个单端或 2 个真差分模拟输入通道。这种灵活的通道配置使得它们能够适应不同的应用需求。

2. 输入范围

每个模拟输入通道都可以通过软件独立编程，支持七种单端输入范围和三种差分输入范围。单端输入范围涵盖了从 0 到 (3 x VREF)/2、(-3 x VREF)/2 到 0 等多种选择；差分输入范围则包括 (±3 x VREF)/2、±3 x VREF 和 ±6 x VREF。这种丰富的输入范围使得 ADC 能够处理各种不同幅度的模拟信号。

3. 参考电压

芯片内部集成了 +4.096V 的参考电压，为 ADC 提供了一个方便的解决方案。同时，它们也可以接受 3.800V 至 4.136V 的外部参考电压，以满足更高精度的应用需求。

4. 封装与工作温度

MAX1300 采用 24 引脚 TSSOP 封装，MAX1301 采用 20 引脚 TSSOP 封装。两款器件的工作温度范围均为 -40°C 至 +85°C，能够适应较为恶劣的工业环境。

二、关键特性

1. 软件可编程输入范围

每个通道的输入范围都可以通过软件进行灵活配置，这为工程师在设计电路时提供了极大的便利。无论是单端输入还是差分输入，都能根据实际需求进行调整。

2. 高过压容忍度

模拟输入引脚具有 ±16.5V 的过压容忍能力，这意味着在实际应用中，即使输入信号出现意外的过压情况，也不会对 ADC 造成损坏，提高了系统的可靠性。

3. 内部或外部参考

支持内部和外部参考电压，工程师可以根据具体应用场景选择合适的参考方式。内部参考方便快捷，外部参考则能提供更高的精度。

4. 高采样率

最高采样率可达 115ksps，能够满足大多数高速数据采集的需求。

5. 低功耗模式

具备部分掉电模式和完全掉电模式。部分掉电模式下，电源电流可降至 1.3mA（典型值）；完全掉电模式下，电源电流可降至 1µA（典型值），有效降低了系统的功耗。

三、电气特性

1. 直流精度

分辨率为 16 位，积分非线性（INL）和差分非线性（DNL）指标优秀，保证了 ADC 的转换精度。同时，具有较低的偏移误差和增益误差，以及良好的通道间增益匹配和偏移误差匹配性能。

2. 动态指标

在不同的输入条件下，信号 - 噪声加失真比（SINAD）、信号 - 噪声比（SNR）、总谐波失真（THD）和无杂散动态范围（SFDR）等指标表现出色，能够有效抑制噪声和失真，提高信号的质量。

3. 转换速率

在不同的工作模式下，转换速率有所不同。外部时钟模式下，最高可达 114ksps；外部采集模式下为 84ksps；内部时钟模式下为 106ksps。工程师可以根据实际需求选择合适的工作模式。

4. 模拟输入特性

模拟输入具有 2MHz 的小信号带宽和 700kHz 的全功率带宽，能够处理高频信号。输入电压范围可通过软件进行选择，并且具有良好的共模抑制比（CMRR）和输入阻抗特性。

5. 参考电压特性

内部参考电压为 4.096V，具有较低的温度系数和良好的负载调节能力。外部参考电压范围为 3.800V 至 4.136V，能够满足不同的精度要求。

6. 数字接口特性

数字输入和输出具有良好的电气特性，如输入高电压、输入低电压、输入滞回和输入泄漏电流等指标都符合设计要求。同时，输出低电压和输出高电压也能满足与其他数字电路的接口需求。

7. 电源特性

模拟电源电压和数字电源电压范围为 4.75V 至 5.25V，不同工作模式下的电源电流不同。部分掉电模式和完全掉电模式能够有效降低功耗，提高系统的能效。

8. 时序特性

SCLK 周期、SCLK 高脉冲宽度、SCLK 低脉冲宽度等时序参数都有明确的要求，工程师在设计电路时需要严格按照这些参数进行配置，以确保 ADC 的正常工作。

四、工作原理

1. 转换操作

MAX1300/MAX1301 采用全差分逐次逼近寄存器（SAR）转换技术和片上跟踪 - 保持（T/H）电路，将电压信号转换为 16 位数字结果。支持单端和差分配置，并且可以通过软件编程选择单极性和双极性信号范围。

2. 跟踪 - 保持电路

采用开关电容 T/H 架构，能够将模拟输入信号存储为采样电容上的电荷。在不同的工作模式下，T/H 电路的时序和采样时刻有所不同，工程师需要根据具体的工作模式进行配置。

3. 模拟输入电路

通过模拟输入配置字节可以选择差分或单端转换。模拟输入信号源需要能够驱动 ADC 的 17kΩ 输入电阻，并且输入具有 ±16.5V 的故障容忍能力，通过背靠背二极管进行保护。

4. 模拟输入带宽

输入跟踪电路具有 2MHz 的小信号带宽，能够对高速瞬态事件进行数字化处理。但在数字化高于 15kHz 的信号频率时，谐波失真会增加。

5. 模拟输入范围和故障容忍度

每个模拟输入通道可以通过软件独立编程选择不同的输入范围，并且具有 ±16.5V 的故障容忍能力。即使输入电压超出满量程范围，但在 ±16.5V 故障容忍范围内，也能保证 ADC 的正常工作。

6. 差分共模范围

差分共模范围（VCMDR）必须保持在 -14V 至 +10V 之间，以获得有效的转换结果。同时，每个模拟输入相对于 AGND1 必须限制在 ±16.5V 以内。

7. 数字接口

采用 SPI/QSPI 和 MICROWIRE 兼容的串行接口，支持最高 10MHz 的 SCLK 速率。通过数字接口可以选择输入通道配置、输入范围、工作模式，以及启动转换和读取结果。

8. 输出数据格式

输出数据以偏移二进制格式在 SCLK 的下降沿从 DOUT 输出，最高有效位（MSB）优先。

9. 模式控制

通过模式控制字节可以选择不同的转换方法和电源模式，包括外部时钟模式、外部采集模式、内部时钟模式、复位模式、部分掉电模式和完全掉电模式。

五、应用信息

1. 噪声降低

通过过采样的方法，即采集更多的样本并进行平均，可以有效降低转换结果中的过渡噪声影响。采样样本数的平方根决定了性能的改善程度。

2. 与 0 至 10V 信号接口

在工业控制应用中，0 至 10V 信号较为常见。可以将 MAX1300/MAX1301 的输入通道配置为单端 0 至 +3 x VREF 范围，以适应 0 至 10V 的信号。

3. 与 4 - 20mA 信号接口

4 - 20mA 信号可以作为二进制开关或用于精确通信。对于二进制开关应用，可以通过电阻将 4 - 20mA 信号转换为 1V 至 5V 的信号；对于精确测量应用，需要使用缓冲器来防止 ADC 输入分流电流。

4. 桥接应用

在桥接应用中，MAX1300/MAX1301 能够比类似的 sigma - delta 转换器更准确地转换 1kHz 信号。对于对增益误差要求较高的应用，可以对 ADC 输入进行缓冲处理。

5. 动态调整输入范围

通过软件控制每个通道的模拟输入范围和单极性端点重叠规范，可以动态改变输入范围，提高某些应用的性能。

6. 布局、接地和旁路

为了获得最佳的系统性能，PCB 布局需要注意将模拟和数字地平面分开，避免模拟和数字信号相互干扰。同时，需要对电源进行适当的旁路处理，以降低噪声。

六、结语

MAX1300 和 MAX1301 作为两款高性能的 16 位串行 ADC，具有丰富的功能和优秀的电气特性。它们在工业控制、数据采集、航空电子、机器人等领域有着广泛的应用前景。工程师在设计电路时，需要根据具体的应用需求，合理选择通道配置、输入范围、工作模式等参数，同时注意 PCB 布局和电源旁路等问题，以充分发挥这两款 ADC 的性能优势。你在使用类似 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。