MAX1178/MAX1188：高性能16位单电源ADC的卓越之选

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，我们要深入探讨的是Maxim公司的两款16位、135ksps单电源ADC——MAX1178和MAX1188，它们以其出色的性能和丰富的特性，在众多应用场景中展现出强大的竞争力。

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一、器件概述

MAX1178和MAX1188是低功耗、逐次逼近型ADC，具备自动掉电功能、工厂校准的内部时钟以及字节宽并行接口。它们采用单+4.75V至+5.25V模拟电源供电，并配备独立的数字电源输入，可直接与+2.7V至+5.25V的数字逻辑接口相连。

特性亮点

1. 宽输入电压范围：MAX1188支持±10V的双极性模拟输入电压范围，而MAX1178则支持±5V的范围，满足不同应用的需求。
2. 低功耗设计：在使用外部参考时，采样率为135ksps时功耗不超过26.5mW；使用内部+4.096V参考时，功耗为31mW。AutoShutdown™功能可在10ksps时将电源电流降至0.4mA。
3. 高精度性能：具有±2 LSB的积分非线性（INL）和±1 LSB的微分非线性（DNL），确保了出色的DC精度。
4. 小封装设计：采用20引脚TSSOP封装，节省电路板空间。

二、电气特性

1. DC精度

• 分辨率：16位，提供高精度的转换结果。
• DNL和INL：不同型号的DNL和INL表现有所差异，但都能保证良好的线性度。
• 过渡噪声：外部参考时RMS噪声为0.75 LSB，内部参考时为0.6 LSB。
• 偏移误差和增益误差：偏移误差在-10mV至+10mV之间，增益误差为±0.2% FSR。
• 偏移漂移和增益漂移：偏移漂移为16µV/°C，增益漂移为±1 ppm/°C。

2. AC精度

在fIN = 1kHz、VAIN为全范围、采样率为135ksps的条件下：

• SINAD：86 - 90 dB
• SNR：87 - 91 dB
• THD：-100 - -92 dB
• SFDR：92 - 103 dB

3. 模拟输入

• 输入范围：MAX1188为±10V，MAX1178为±5V。
• 输入电阻：正常工作时，MAX1178为3.0 - 9.2 kΩ，MAX1188为6.0 - 13.0 kΩ；关机模式下，MAX1178为5.3 - 6.9 kΩ，MAX1188为7.8 - 10 kΩ。
• 输入电流：正常工作时，MAX1178和MAX1188的输入电流范围为-1.8mA至+1.2mA；关机模式下为-1.8mA至+1.8mA。

4. 内部参考

• REF输出电压：4.056 - 4.136V
• REF输出温度系数：±35 ppm/°C
• REF短路电流：±10 mA

5. 外部参考

• REF和REFADJ输入电压范围：3.8 - 4.2V
• REFADJ缓冲禁用阈值：AVDD - 0.4V至AVDD - 0.1V
• REF输入电流：正常模式下为60 - 100µA，关机模式下为±10µA
• REFADJ输入电流：16µA

6. 数字输入/输出

• 输出高电压：DVDD - 0.4V
• 输出低电压：0.4V
• 输入高电压：0.7x DVDD
• 输入低电压：0.3x DVDD
• 输入泄漏电流：-1 - +1µA
• 输入滞后：0.2V
• 输入电容：15 pF
• 三态输出泄漏电流：±10µA
• 三态输出电容：15 pF

7. 电源

• 模拟电源电压：4.75 - 5.25V
• 数字电源电压：2.70 - 5.25V
• 模拟电源电流：使用外部参考时为4 - 5.3mA，使用内部参考时为5.2 - 6.2mA
• 关机电源电流：关机模式下为0.5 - 5µA，待机模式下为3.7mA
• 数字电源电流：0.75mA
• 电源抑制比：3.5 LSB

8. 时序特性

• 最大采样率：135 ksps
• 采集时间：2µs
• 转换时间：4.7µs
• CS脉冲宽度高：40ns
• CS脉冲宽度低：DVDD = 4.75V至5.25V时为40ns，DVDD = 2.7V至5.25V时为60ns
• R/C到CS下降建立时间：0ns
• R/C到CS下降保持时间：DVDD = 4.75V至5.25V时为40ns，DVDD = 2.7V至5.25V时为60ns
• CS到输出数据有效时间：DVDD = 4.75V至5.25V时为40ns，DVDD = 2.7V至5.25V时为80ns
• EOC下降到CS下降时间：0ns
• CS上升到EOC上升时间：DVDD = 4.75V至5.25V时为40ns，DVDD = 2.7V至5.25V时为80ns
• 总线释放时间：DVDD = 4.75V至5.25V时为40ns，DVDD = 2.7V至5.25V时为80ns
• HBEN过渡到输出数据有效时间：DVDD = 4.75V至5.25V时为40ns，DVDD = 2.7V至5.25V时为80ns

三、典型工作特性

1. 电源电流与温度、采样率的关系

• 电源电流（AVDD + DVDD）随温度和采样率的变化而变化。在不同的工作模式下，电源电流表现出不同的特性。
• 关机电流（AVDD + DVDD）也与温度有关，关机模式下电流显著降低。

2. DNL和INL与代码的关系

DNL和INL的特性曲线展示了器件在不同代码下的线性度表现，有助于评估其转换精度。

3. 偏移误差和增益误差与温度的关系

偏移误差和增益误差随温度的变化情况，对于需要高精度测量的应用至关重要。

4. 内部参考与温度的关系

内部参考电压随温度的变化会影响ADC的转换精度，了解其特性有助于进行补偿和校准。

5. SFDR、SINAD和THD与频率的关系

这些参数反映了ADC在不同频率下的AC性能，对于处理高频信号的应用具有重要意义。

四、引脚描述

MAX1178/MAX1188的20个引脚各自承担着不同的功能，以下是部分关键引脚的介绍：

• D0 - D15：三态数字数据输出引脚，用于输出转换结果。
• R/C：读/转换输入引脚，控制器件的工作模式和电源状态。
• EOC：转换结束标志引脚，转换完成时EOC驱动为低电平。
• AVDD：模拟电源输入引脚，需通过0.1µF电容旁路到AGND。
• AGND：模拟地引脚。
• AIN：模拟输入引脚。
• REFADJ：参考缓冲输出引脚，用于选择内部或外部参考模式。
• REF：参考输入/输出引脚，内部参考模式下需通过10µF电容旁路到AGND。
• HBEN：高字节使能输入引脚，用于多路复用16位转换结果。
• CS：转换启动引脚，控制器件的电源和转换过程。
• DVDD：数字电源电压引脚，需通过0.1µF电容旁路到DGND。

五、详细工作原理

1. 转换器操作

MAX1178/MAX1188采用逐次逼近（SAR）转换技术，内置跟踪保持（T/H）阶段，将模拟输入转换为16位数字输出。并行输出提供了与微处理器的高速接口。

2. 模拟输入缩放

输入缩放器允许在单+5V模拟电源下转换真正的双极性输入电压和大于电源电压的输入电压。它将模拟输入进行衰减和移位，以匹配内部数模转换器（DAC）的输入范围。

3. 跟踪保持（T/H）

在跟踪模式下，内部保持电容获取模拟信号；在保持模式下，T/H开关打开，电容式DAC对模拟输入进行采样。转换结束后，将CS拉低可使有效数据输出到总线。

4. 电源掉电模式

通过R/C位在CS的第二个下降沿选择待机模式或关机模式。待机模式下，内部参考和参考缓冲器保持开启，无需等待参考电源启动即可进行下一次转换；关机模式下，转换完成后参考和参考缓冲器掉电，再次启动时需要至少12ms的时间来唤醒和稳定。

5. 内部时钟

MAX1178/MAX1188生成内部转换时钟，减轻了微处理器运行SAR转换时钟的负担。进入保持模式（CS的第二个下降沿）到转换结束（EOC下降）的总转换时间最大为4.7µs。

六、应用信息

1. 启动转换

通过CS和R/C控制MAX1178/MAX1188的采集和转换过程。CS的第一个下降沿在R/C为低电平时为器件上电并使其进入采集模式；如果R/C为高电平，则忽略转换启动信号。从关机状态上电时，内部参考需要至少12ms的时间来唤醒和稳定。

2. 选择待机或关机模式

R/C在CS的第二个下降沿的状态决定了器件进入待机模式还是关机模式。R/C为低电平时进入待机模式，参考和缓冲器保持开启；R/C为高电平时进入关机模式，转换完成后参考和缓冲器掉电。

3. 内部和外部参考

• 内部参考：内部参考提供+4.096V的输出，通过10µF和0.1µF的电容分别旁路REF和REFADJ到AGND。可通过在REFADJ处吸收或提供电流来微调内部参考。
• 外部参考：可将外部参考放置在内部缓冲放大器的输入（REFADJ）或输出（REF）端。使用缓冲的REFADJ输入可无需对外部参考进行缓冲。

4. 读取转换结果

EOC用于标志转换完成，EOC的下降沿表示数据有效并准备输出到总线。D0 - D15为并行输出，在采集和转换期间输出为高阻抗。CS的第三个下降沿且R/C为高电平时，数据加载到输出总线；CS为高电平时，输出总线回到高阻抗状态。

5. 输入缓冲

大多数应用需要输入缓冲放大器来实现16位精度并防止源负载。当输入信号多路复用时，应在采集后立即切换通道，以给输入缓冲放大器足够的时间响应输入信号的大变化。

七、布局、接地和旁路

为了获得最佳性能，在设计电路板时应注意以下几点：

• 使用印刷电路板，避免模拟和数字线路相互平行，不要将数字信号路径布置在ADC封装下方。
• 使用独立的模拟和数字接地平面，并在尽可能靠近器件的位置将两个接地系统连接在一起。
• 将数字信号远离敏感的模拟和参考输入。如果数字线路必须与模拟线路交叉，应采用直角交叉以减少数字噪声耦合到模拟线路上。
• 如果模拟和数字部分共享同一电源，可通过连接一个低阻值（10Ω）的电阻或铁氧体磁珠来隔离数字和模拟电源。
• 对AVDD进行旁路，使用0.1µF电容与1µF至10µF的低ESR电容并联，且最小的电容应最靠近器件。保持电容引脚短，以减少杂散电感。

八、总结

MAX1178/MAX1188以其高精度、低功耗、宽输入电压范围和丰富的功能特性，成为高性能、电池供电、数据采集应用的理想选择。无论是工业过程控制、仪器仪表还是医疗应用，它们都能提供可靠的解决方案。在实际应用中，合理选择工作模式、参考源和输入缓冲，以及注意电路板的布局和接地，将有助于充分发挥器件的性能优势。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。