探索 MAX1061/MAX1063：高性能 10 位 ADC 的卓越之选

在电子设计的领域中，模拟 - 数字转换器（ADC）扮演着至关重要的角色，它是连接模拟世界和数字世界的桥梁。今天，我们就来深入了解一下 Maxim 公司推出的两款低功耗、10 位 ADC——MAX1061 和 MAX1063，它们在数据采集、工业控制等诸多领域都有着广泛的应用前景。

文件下载：MAX1063.pdf

一、产品概述

MAX1061/MAX1063 是具备 250ksps 采样速率、采用 +3V 单电源供电的 10 位 ADC，分别拥有 8 通道和 4 通道的模拟输入。其显著特点包括片内 +2.5V 参考电压、自动掉电功能、快速唤醒（仅需 2µs）、内置时钟以及高速字节并行接口。而且，通过 VLOGIC 引脚，它们能够直接与 +1.8V 至 +3.6V 的数字电源相连，这种灵活的接口设计为系统设计带来了极大的便利。

1. 低功耗优势

在当今对节能要求日益提高的时代，低功耗是电子设备的关键特性之一。MAX1061/MAX1063 在这方面表现出色，在最大采样率 250ksps 时，功耗仅为 5.7mW（VDD = VLOGIC）。同时，具有两种软件可选的掉电模式，在转换间隔期间可将器件关闭，需要时通过访问并行接口即可恢复正常工作。在较低采样率下，掉电模式能将电源电流降至 10µA 以下，这对于电池供电的设备来说，无疑能够大大延长电池的使用寿命。

2. 灵活的输入配置

这两款 ADC 支持软件配置，可实现单极性/双极性以及单端/伪差分操作。在单端模式下，MAX1061 有 8 个输入通道，而 MAX1063 有 4 个输入通道；在伪差分模式下，分别为 4 个和 2 个输入通道。这种灵活的输入配置方式能够满足不同应用场景的需求，提高了设备的通用性。

3. 出色的性能与小封装

MAX1061/MAX1063 拥有卓越的动态性能和低功耗特性，同时易于使用且封装尺寸小。MAX1061 采用 28 引脚 QSOP 封装，MAX1063 采用 24 引脚 QSOP 封装，这使得它们非常适合对功耗和空间要求苛刻的应用，如电池供电设备和数据采集系统等。

二、电气特性分析

1. 直流精度

• 分辨率：两款 ADC 均具备 10 位分辨率，能够提供较为精确的模拟信号数字化结果。
• 相对精度：MAX106_A 系列的相对精度为 ±0.5 LSB，MAX106_B 系列为 ±1 LSB。
• 差分非线性：在整个温度范围内，差分非线性误差不超过 ±1 LSB，保证了无漏码和单调的传输函数。
• 增益误差：增益误差在 ±2 LSB 以内，并且增益温度系数为 ±2.0 ppm/°C，确保了在不同温度环境下的稳定性。
• 通道间偏移匹配：通道间偏移匹配误差在 ±0.1 LSB 以内，提高了多通道应用的准确性。

2. 动态特性

• 信噪失真比（SINAD）：在输入信号为 50kHz 正弦波、峰 - 峰值为 2.5V、采样率为 250ksps 的情况下，SINAD 可达 60dB，能够有效抑制噪声和失真。
• 总谐波失真（THD）：THD 低至 -72dB，保证了信号的纯净度。
• 无杂散动态范围（SFDR）：SFDR 为 72dB，能够有效抑制杂散信号的干扰。
• 互调失真（IMD）：在输入信号频率分别为 49kHz 和 52kHz 时，IMD 为 76dB，确保了多信号输入时的性能。
• 全线性带宽和全功率带宽：全线性带宽为 250kHz，全功率带宽为 3MHz，能够满足高速信号采集的需求。

3. 转换速率与时间

• 转换时间：不同的工作模式下，转换时间有所不同。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：最大为 625ns，能够快速准确地采集输入信号。
• 孔径延迟和抖动：外部采集或外部时钟模式下，孔径延迟为 50ns，孔径抖动小于 50ns；内部采集/内部时钟模式下，孔径抖动小于 200ps。

4. 电源要求

• 供电电压：模拟电源电压范围为 2.7V - 3.6V，数字电源电压范围为 1.8V - （VDD + 0.3V）。
• 电源电流：在不同工作模式和采样率下，电源电流有所变化。例如，在 250ksps 采样率、内部参考模式下，工作电流为 2.3 - 2.6mA；在待机模式下，内部参考时为 0.9 - 1.2mA；在掉电模式下，电流可低至 2 - 10µA。

三、工作原理详解

MAX1061/MAX1063 采用逐次逼近（SAR）转换技术和输入跟踪/保持（T/H）级，将模拟输入信号转换为 10 位数字输出。其并行（8 + 2）输出格式方便与标准微处理器接口。

1. 单端和伪差分操作

• 单端模式：在单端模式下，IN+ 分别连接到 MAX1061 的 CH0 - CH7 通道或 MAX1063 的 CH0 - CH3 通道，IN- 连接到 COM。
• 伪差分模式：IN+ 和 IN- 从模拟输入对中选择，内部切换到相应的模拟输入。需要注意的是，仅对 IN+ 的信号进行采样，IN- 必须在转换期间相对于 GND 保持稳定在 ±0.5 LSB（最佳性能时为 ±0.1 LSB），可通过连接 0.1µF 电容器到 GND 来实现。

2. 模拟输入保护

内部保护二极管将模拟输入钳位到 VDD 和 GND，允许每个输入通道在 (GND - 300mV) 至 (VDD + 300mV) 范围内摆动而不损坏。但为了在满量程附近实现准确转换，两个输入不得超过 (VDD + 50mV) 或低于 (GND - 50mV)。如果非活动通道的模拟输入电压超过电源电压 50mV 以上，需将正向偏置输入电流限制在 4mA。

3. 跟踪/保持功能

MAX1061/MAX1063 的 T/H 级在 WR 的上升沿进入跟踪模式。在外部采集模式下，下一个 WR 的上升沿使其进入保持模式；在内部采集模式下，写入控制字节后时钟的第四个下降沿使其进入保持模式（在内部时钟模式下，约 1µs 后）。跟踪/保持时间取决于输入信号的源阻抗和 ADC 的输入电容，可通过公式 (t{ACQ}=7times(R{S}+R{IN})times C{IN}) 计算。当源阻抗低于 3kΩ 时，对 AC 性能无显著影响；若使用更高源阻抗，可连接 0.01µF 电容器到模拟输入，以形成 RC 滤波器，但会限制信号带宽。

4. 输入带宽

T/H 级提供 250kHz 的全线性带宽和 3MHz 的全功率带宽，可采用欠采样技术对高速瞬变进行数字化，并测量带宽超过 ADC 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器。

5. 转换启动与读取

• 启动转换：通过写入控制字节选择复用器通道并配置为单极性或双极性操作，写脉冲可启动采集间隔或同时启动采集和转换。控制字节中的 ACQMOD 位提供内部和外部两种采集模式选择，转换周期在内部或外部时钟及采集模式下均为 13 个时钟周期。在转换周期内写入新的控制字节将中止当前转换并开始新的采集间隔。
• 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。

6. 时钟模式选择

• 内部时钟模式：将控制字节的 D7 位置为 1，D6 位置为 0 可选择内部时钟模式。此时，内部时钟频率确定，转换时间为 3.6µs。为防止 CLK 引脚浮空，需将其拉高或拉低。
• 外部时钟模式：将控制字节的 D6 和 D7 位置为 1 可选择外部时钟模式。推荐使用 100kHz - 4.8MHz、占空比为 30% - 70% 的时钟频率，不建议使用低于 100kHz 的时钟频率，以免影响 T/H 级的保持电容性能。

四、应用要点

1. 上电复位

上电时，内部上电复位电路使 MAX1061/MAX1063 进入外部时钟模式并置 INT 为高电平。电源稳定后，内部复位时间为 10µs，在此期间不应进行转换操作。使用内部参考时，VREF 需要 500µs 才能稳定。

2. 参考电压选择

• 内部参考：内部缓冲器为 REF 提供 +2.5V 参考电压，在单极性输入时满量程范围为 +2.5V，双极性输入时为 ±1.25V。可通过 REFADJ 引脚进行小幅度（±100mV）的参考电压调整，同时需在 REF 和 GND 之间连接至少 4.7µF 的外部电容器，REFADJ 和 GND 之间连接 0.01µF 电容器以减少噪声和尖峰。
• 外部参考：可将外部参考电压连接到 REF 或 REFADJ 引脚。连接到 REFADJ 时无需外部缓冲；连接到 REF 时，需将 REFADJ 连接到 VDD 以禁用内部参考缓冲器，且外部参考电源在转换期间需提供高达 200µA 的直流负载电流，输出阻抗应小于 10Ω，若参考电源噪声较大，可在 REF 引脚附近连接 4.7µF 电容器进行旁路。

3. 掉电模式

• 待机模式：供应电流典型值为 850µA，在 WR 的下一个上升沿上电，可快速恢复转换操作，适用于采样率低于 250ksps 的应用，能显著降低功耗。
• 关机模式：关闭所有消耗静态电流的芯片功能，转换完成后典型供应电流降至 2µA。WR 的上升沿使器件退出关机模式，但使用 4.7µF 参考旁路电容器时，上电后需等待 500µs 以达到 10 位精度；使用外部参考时，只需等待 50µs。

4. 布局、接地和旁路

为获得最佳性能，建议使用印刷电路板（PC 板），避免使用绕线配置。模拟和数字走线应分开布局，避免平行布线和数字信号线穿过 ADC 封装下方。使用单独的模拟和数字地平面，并通过单点连接（星型接地）。为减少电源噪声对 ADC 的影响，应在 VDD 和星型接地之间使用 0.1µF 和 4.7µF 的并联电容器进行旁路，尽量缩短电容引脚长度，若电源噪声较大，可添加 5Ω 衰减电阻。

五、总结与思考

MAX1061/MAX1063 以其低功耗、高分辨率、灵活的输入配置和出色的性能，为电子工程师在设计电池供电设备、数据采集系统、工业控制系统等方面提供了优秀的解决方案。但在实际应用中，我们仍需根据具体的应用场景和要求，合理选择参考电压、时钟模式和工作模式，同时注意电路布局和接地，以确保 ADC 能够发挥最佳性能。你在使用类似的 ADC 时，遇到过哪些挑战和问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。