MAX110/MAX111：低成本2通道±14位串行ADC的全方位解析

在电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）作为连接模拟信号和数字世界的桥梁，其性能和特性对整个系统的性能起着至关重要的作用。今天，我们聚焦于MAXIM公司的两款低成本、2通道、±14位串行ADC——MAX110和MAX111，深入了解它们的特点、应用场景以及工作原理。

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一、产品概述

MAX110和MAX111采用内部自动校准技术，在无需外部组件的情况下，实现了14位分辨率并具备超量程能力。其工作电源电流极低，其中MAX110仅为550μA，在掉电模式下可降至4μA，这使得它们非常适合高分辨率的电池供电或远程传感应用。此外，快速串行接口简化了信号路由和光隔离，节省了微控制器引脚，并且兼容SPI™、QSPI™和MICROWIRE™标准。

电源和输入范围差异

• MAX110：采用±5V电源供电，可转换-3V至 +3V范围内的差分模拟信号。
• MAX111：使用单 +5V电源，能转换±1.5V范围内的差分模拟信号，也可处理0V至 +1.5V范围内的单端信号。

二、产品特性及应用场景

（一）特性亮点

1. 高精度：具备14位分辨率加上符号和超量程能力，MAX110的线性度为0.03%，MAX111的线性度为0.05%。
2. 低功耗：MAX110的功耗为550μA，MAX111为640μA，掉电电流仅4μA。
3. 高转换速率：最高可达50次转换/秒。
4. 抗干扰能力强：具有50Hz/60Hz抑制能力，自动校准模式无需外部组件。
5. 封装多样：提供16引脚DIP/SO和20引脚SSOP封装。

（二）应用领域

这些特性使得MAX110/MAX111在多个领域都有广泛的应用，如过程控制、称重秤、面板仪表、数据采集系统和温度测量等。

三、关键参数解析

（一）绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于保证其安全可靠运行至关重要。例如，VDD到GND的最大电压为 +6V，VSS到GND（MAX110）的范围为 +0.3V到 -6V等。在设计电路时，必须确保各个引脚的电压和电流不超过这些额定值，否则可能会对器件造成永久性损坏。

（二）电气特性

1. 精度相关：分辨率为14 + POL + OFL位，差分非线性（DNL）小于±2 LSB，无缺失码分辨率为13 + POL + OFL位。相对精度方面，不同型号和输入电压范围有所差异，如MAX110AC/E在 -0.83 x VREF ≤ VIN ≤ 0.83 x VREF范围内，相对精度为±0.015%。
2. 输入特性：模拟输入的差分输入电压范围为 -VREF到 +VREF，绝对输入电压范围受电源电压限制。输入偏置电流最大为500nA，输入电容为10pF。
3. 参考输入：参考输入的差分电压范围和绝对电压范围也有明确规定，参考输入电流最大为500nA，电容为10pF。
4. 转换时间：同步转换时间由控制位CONV1 - CONV4设置，有10,240个时钟周期/转换（20.48ms）和102,400个时钟周期/转换（204.80ms）两种可选。过采样时钟频率范围为0.25 - 1.25MHz。
5. 数字输入输出：数字输入的高电平电压VIH ≥ 2.4V，低电平电压VIL ≤ 0.8V，输入电容为10pF，输入泄漏电流最大为±1μA。数字输出的低电平电压VOL ≤ 0.4V，高电平电压VOH ≥ VDD - 0.5V，泄漏电流最大为±10μA，输出电容为10pF。
6. 电源要求：正电源电压VDD范围为4.75 - 5.25V，负电源电压VSS（MAX110）范围为 -4.75 - -5.25V。在不同工作模式下，电源电流有所不同，如连续转换模式下，MAX110的正电源电流IDD最大为950μA，负电源电流Iss最大为650μA；掉电模式下，IDD和Iss可降至4 - 10μA。

（三）时序特性

各项时序参数如CS到SCLK的建立时间和保持时间、DIN到SCLK的建立时间和保持时间、SCLK和XCLK的脉冲宽度、数据访问时间、SCLK到DOUT的有效延迟以及总线释放时间等，都对ADC的正常工作和数据传输的准确性有着重要影响。在设计电路时，需要根据这些时序要求来合理安排信号的时序关系。

四、工作原理及操作模式

（一）转换原理

MAX110/MAX111采用一阶sigma - delta环路将低频模拟信号转换为16位串行数字输出（14位数据位、1位符号位和1位超量程位）。差分输入电压先通过精密电压 - 电流转换器转换为电流，然后进行积分并输入到比较器。比较器输出驱动一个上下计数器和一个1位DAC，当DAC输出反馈到积分器输入时，sigma - delta环路完成。在转换过程中，比较器输出是一个VREF到VREF+的方波，其占空比与输入到ADC的差分输入电压的大小成正比。上下计数器以过采样时钟速率从比较器输入数据，并对脉冲宽度调制（PWM）方波进行平均，以产生转换结果。

（二）过采样时钟选择

XCLK内部连接到一个时钟分频网络，其输出为ADC的过采样时钟fOSC。可以选择外部时钟模式或内部RC振荡器模式来提供过采样时钟：

• 外部时钟模式：将RCSEL连接到GND，XCLK接受一个TTL/CMOS电平的时钟信号。
• RC振荡器模式：将RCSEL连接到VDD，启用内部RC振荡器，其输出连接到XCLK。在使用内部RC振荡器时，应尽量减小XCLK上的电容负载。

（三）ADC操作

输出数据采用二进制补码格式，先输出符号位（POL），接着是超量程位（OR），然后是14位数据位（MSB优先）。MAX110和MAX111在不同的电源和输入电压范围内工作，并且都提供了超量程位（OFL）来检测输入电压是否超过参考电压。

（四）数字接口和转换启动

通过将CS拉低并在SCLK上施加串行时钟，可以将数据传输到串行I/O移位寄存器中。ADC的输出数据在SCLK的下降沿时钟输出，应在SCLK的上升沿读取；输入数据在SCLK的上升沿时钟输入。当CS返回高电平且输入控制字的MSB（NO - OP）为1时，开始新的转换。在转换过程中，CS必须保持高电平，否则可能会导致转换停止和输出数据错误。

（五）控制字功能

16位控制字用于控制ADC的各种功能，其中NO - OP位控制控制字的传输和新转换的启动。其他位如CONV1 - CONV4用于控制转换时间，DV2、DV4用于控制XCLK到过采样时钟的比率，CHS用于选择输入通道，CAL用于选择增益校准模式，NUL用于选择内部偏移归零模式，PDX和PD用于控制电源掉电模式。

（六）电源掉电模式

PD和PDX位控制ADC的电源掉电模式。当PD为高电平时，除了RC振荡器外，所有模拟电路的电源被移除；当PDX为高电平时，RC振荡器的电源被移除。当PD和PDX都为高电平，或PD为高电平且RCSEL为低电平时，电源电流可降至4μA。在使用电源掉电模式时，需要注意避免因RC振荡器停止而导致无法启动新转换的情况。

五、总结

MAX110和MAX111以其低成本、低功耗、高精度和丰富的功能特性，为电子工程师在设计高分辨率、电池供电或远程传感应用时提供了一个优秀的选择。通过深入了解它们的参数、工作原理和操作模式，我们可以更好地利用这些器件，设计出性能更优的电路系统。大家在实际应用中，是否遇到过类似ADC在特定场景下的性能优化问题呢？欢迎在评论区分享交流。