MAX146/MAX147：低功耗8通道12位串行ADC的技术解析与应用指南

在电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）是连接现实世界模拟信号与数字系统的关键桥梁。今天，我们将深入探讨MAXIM公司的MAX146/MAX147 12位数据采集系统，这两款ADC在低功耗、多通道采集等方面表现出色，适用于众多应用场景。

文件下载：MAX147.pdf

一、产品概述

MAX146/MAX147将8通道多路复用器、高带宽跟踪/保持电路和串行接口相结合，具备高转换速度和低功耗的特点。其中，MAX146采用+2.7V至+3.6V单电源供电，MAX147则支持+2.7V至+5.25V单电源供电。它们的模拟输入可通过软件配置为单极性/双极性以及单端/差分操作模式。

1. 关键特性

• 多通道输入：提供8通道单端或4通道差分输入，满足多样化的信号采集需求。
• 单电源操作：不同的电源范围适应不同的应用场景，增强了产品的灵活性。
• 低功耗：在不同采样率下，电流消耗低，例如在133ksps、3V供电时为1.2mA，1ksps、3V供电时为54µA，掉电模式下仅为1µA。
• 兼容多种接口：4线串行接口与SPI™/QSPI™和MICROWIRE™设备直接连接，无需外部逻辑，还可直接连接TMS320系列数字信号处理器。
• 软件可配置：输入模式可通过软件灵活配置，方便适应不同的应用需求。
• 多种封装形式：提供20引脚DIP和SSOP封装，便于不同的PCB布局设计。

二、电气特性

1. 直流精度

• 分辨率：12位分辨率，能够提供较为精确的数字输出。
• 相对精度：不同型号的INL（积分非线性）有所差异，如MAX14_A为±0.5 LSB，MAX14_B为±1.0 LSB，MAX147C为±2.0 LSB。
• 无漏码：保证了12位的无漏码性能，提高了数据的准确性。
• 差分非线性：DNL（差分非线性）在±1.0 LSB以内，确保了转换的线性度。
• 偏移误差和增益误差：偏移误差和增益误差都在一定范围内，并且增益温度系数为±0.25 ppm/°C，保证了在不同温度下的稳定性。

2. 动态特性

• 信号 - 噪声 + 失真比（SINAD）：MAX14_A/MAX14_B为70 - 73 dB，MAX147C为73 dB，反映了信号的质量。
• 总谐波失真（THD）：高达-88 dB，减少了谐波对信号的影响。
• 无杂散动态范围（SFDR）：MAX14_A/MAX14_B为80 - 90 dB，MAX147C为90 dB，保证了信号的纯净度。
• 通道间串扰：在65kHz、2.500V p - p时为 - 85 dB，降低了通道间的干扰。
• 带宽：小信号带宽为2.25 MHz，全功率带宽为1.0 MHz，能够处理较高频率的信号。

3. 转换速率

转换时间根据不同的时钟模式和条件有所不同，例如内部时钟、SHDN = FLOAT时为5.5 - 7.5 µs，内部时钟、SHDN = VDD时为35 - 65 µs，外部时钟 = 2MHz、12时钟/转换时为6 µs。

三、工作原理

1. 伪差分输入

ADC的模拟比较器采用伪差分输入架构。在单端模式下，IN+内部连接到CH0 - CH7，IN - 连接到COM；在差分模式下，IN+和IN - 从CH0/CH1、CH2/CH3、CH4/CH5和CH6/CH7中选择。在转换过程中，信号在IN+采样，IN - 需保持稳定，可通过连接0.1µF电容到AGND来实现。

2. 跟踪/保持（T/H）

T/H在8位控制字的第5位移入后的下降沿进入跟踪模式，第8位移入后的下降沿进入保持模式。其获取输入信号的时间与输入电容的充电速度有关，计算公式为 (t_{ACQ} = 9 times (RS + R{IN}) times 16 pF) ，其中 (R_{IN}=9 k Omega) ， (RS) 为输入信号的源阻抗，且 (t{ACQ}) 不小于1.5µs。

3. 输入带宽

ADC的输入跟踪电路具有2.25MHz的小信号带宽，可通过欠采样技术对高速瞬态事件进行数字化处理，但为避免高频信号混叠，建议使用抗混叠滤波。

4. 模拟输入保护

内部保护二极管将模拟输入钳位在VDD和AGND之间，允许通道输入引脚在AGND - 0.3V至VDD + 0.3V范围内摆动而不损坏，但为保证满量程附近的准确转换，输入不应超过VDD 50mV或低于AGND 50mV。

四、操作模式

1. 控制字节

通过向DIN写入控制字节来启动转换，控制字节格式包含START、SEL2 - SEL0、UNI/BIP、SGL/DIF、PD1和PD0等位，用于选择通道、转换模式、时钟模式和电源模式。

2. 时钟模式

• 外部时钟模式：外部时钟不仅用于数据的移入和移出，还驱动模数转换步骤。SSTRB在控制字节的最后一位后脉冲高电平一个时钟周期，后续12个SCLK下降沿输出转换结果。当CS为高电平时，SSTRB和DOUT进入高阻态。
• 内部时钟模式：MAX146/MAX147内部生成转换时钟，SSTRB在转换开始时变低，转换完成时变高。转换过程中，数据存储在内部寄存器中，转换完成后可随时通过SCLK读出。CS不影响内部时钟模式下已开始的转换。

3. 数据帧

CS下降沿不启动转换，DIN的第一个逻辑高电平被解释为起始位，定义控制字节的第一位。转换在控制字节的第8位（PD0位）移入后的SCLK下降沿开始。

五、应用与设计要点

1. 电源管理

• 上电复位：上电时，若SHDN未拉低，内部上电复位电路使MAX146/MAX147处于内部时钟模式，准备转换，SSTRB为高电平。上电后10µs内不应进行转换。
• 参考缓冲补偿：SHDN可选择内部或外部补偿，影响上电时间和最大转换速度。外部补偿使用4.7µF电容，可保证参考缓冲器稳定，允许2MHz全时钟速度，但上电时间较长；内部补偿无需外部电容，上电时间最短，内部时钟模式最大时钟速率为2MHz，外部时钟模式为400kHz。
• 电源模式选择：可通过控制字节的PD1和PD0位选择全功率下降模式或快速功率下降模式，节省功耗。SHDN拉低可完全关闭转换器。

2. 参考电压

• 内部参考（MAX146）：MAX146内部参考电压为2.5V，单极性输入时满量程范围为2.5V，双极性输入时为±1.25V，可通过电路调节±1.5%。
• 外部参考：MAX146和MAX147都可使用外部参考，可连接到VREF或REFADJ引脚。使用REFADJ输入可无需外部缓冲，使用VREF输入时需将REFADJ连接到VDD以禁用内部缓冲。

3. 布局与接地

为获得最佳性能，建议使用印刷电路板，避免使用绕线板。布局时应分离数字和模拟信号线，避免并行布线或数字线位于ADC封装下方。建立单点模拟接地（星型接地），将所有模拟地和DGND连接到星型接地，电源旁路电容应靠近MAX146/MAX147的引脚20，以减少电源噪声的影响。

4. 高速数字接口

MAX146/MAX147可与QSPI接口，最高外部时钟频率可达2MHz。通过配置QSPI电路，可对8个通道进行转换，并将结果存储在内存中，减轻CPU负担。

5. TMS320LC3x接口

在外部时钟模式下，可将MAX146/MAX147与TMS320连接。通过配置TMS320的时钟和I/O端口，写入控制字启动转换，监测SSTRB输出，读取转换结果。

六、总结

MAX146/MAX147是两款性能出色的低功耗8通道12位串行ADC，具有丰富的特性和灵活的操作模式。在设计应用时，需要根据具体需求合理选择电源模式、参考电压、时钟模式等，同时注意布局和接地，以确保系统的稳定性和性能。通过本文的介绍，希望能帮助电子工程师更好地理解和应用这两款ADC，为实际设计提供参考。