探索MAX157/MAX159：低功耗10位ADC的卓越性能与应用

在电子设计领域，模拟到数字的转换是一项至关重要的技术。今天，我们将深入探讨MAXIM推出的两款低功耗、2通道、108ksps、串行10位ADC——MAX157和MAX159。这两款器件在电池供电和数据采集等应用中展现出了独特的优势。

文件下载：MAX157.pdf

一、器件概述

MAX157和MAX159采用8引脚µMAX和DIP封装，单电源供电范围为+2.7V至+5.25V。它们具备7.4µs逐次逼近型ADC、自动掉电功能、快速唤醒（2.5µs）、片上时钟以及高速3线串行接口。在最大采样率108ksps时，功耗仅为3.2mW（(V_{DD}= +3.6V)），在较低吞吐量速率下，0.2µA的自动关机功能进一步降低了功耗。

1. 通道特性

• MAX157：提供2通道单端操作，接受0至VREF的输入信号。
• MAX159：接受0至VREF的伪差分输入。

2. 应用场景

这些转换器适用于电池供电系统、便携式数据记录、隔离数据采集和过程控制监测等领域。对于需要引脚兼容的12位升级，可以参考MAX144/MAX145的数据手册。

二、关键特性

1. 电源与功耗

• 单电源操作：支持+2.7V至+5.25V的单电源，适应多种电源环境。
• 低功耗：不同采样率下功耗表现出色，例如在108ksps、+3V时为0.9mA，10ksps、+3V时为100µA，1ksps、+3V时为10µA，掉电模式下小于0.2µA。

2. 采样与接口

• 内部跟踪/保持：具备108ksps的采样率，能够满足高速数据采集需求。
• 3线串行接口：与SPI™、QSPI™和MICROWIRE™兼容，方便与微处理器连接。

3. 封装与升级

• 节省空间的8引脚µMAX封装：适合对空间要求较高的应用。
• 引脚兼容的12位升级：为未来的性能提升提供了便利。

三、电气特性

1. 直流精度

• 分辨率：10位分辨率，确保了较高的测量精度。
• 相对精度：MAX15_A型号的相对精度为±0.5 LSB，MAX15_B型号为±1 LSB。
• 差分非线性：±0.5 LSB，保证了数据的准确性。

2. 动态特性

• 信噪比加失真（SINAD）：66 dB，提供了良好的信号质量。
• 总谐波失真（THD）： -70 dB，减少了信号失真。
• 无杂散动态范围（SFDR）：70 dB，提高了信号的纯净度。

3. 其他特性

• 转换时间：外部时钟模式下为7.4µs，内部时钟模式下为5 - 7µs。
• 跟踪/保持采集时间：2.5µs，确保快速采集信号。

四、工作模式与操作

1. 时钟模式选择

• 内部时钟模式：当(f{SCLK}<100kHz)或(f{SCLK}>2.17MHz)时，使用内部激光微调振荡器，让系统微处理器无需运行SAR转换时钟，方便在不同时钟频率下读取转换结果。
• 外部时钟模式：时钟频率在100kHz至2.17MHz之间时，外部时钟信号不仅能移出数据，还能驱动模数转换，提供最佳的吞吐量。

2. 输出数据格式

输出为16位串行数据流，前三位为逻辑高（内部时钟模式包含EOC位），接着是通道标识、10位数据（MSB优先）和两个子LSB位。

3. 自动掉电模式

当(overline{CS} / SHDN = VDD)时，器件进入掉电模式，内部电路关闭，供应电流通常小于0.2µA。若外部参考稳定在1LSB以内，唤醒时间为2.5µs。

五、应用信息

1. 信号指标计算

• 信噪比（SNR）：理想情况下，(SNR(MAX)=(6.02 cdot N + 1.76) dB)，实际中还需考虑其他噪声源。
• 信噪比加失真（SINAD）：(SINAD(dB)=20 cdot log left[frac{ Signal {RMS }}{( Noise + Distortion ){RMS }}right])
• 有效位数（ENOB）：(ENOB =(SINAD - 1.76) / 6.02)
• 总谐波失真（THD）：(THD =20 cdot log left(sqrt{frac{left(V{2}^{2}+V{3}^{2}+V{4}^{2}+V{5}^{2}right)}{V_{1}^{2}}}right))
• 无杂散动态范围（SFDR）：是基波（最大信号分量）的RMS幅度与下一个最大杂散分量（不包括直流偏移）的RMS值之比。

2. 接口连接

• 标准接口兼容性：与SPI/QSPI和MICROWIRE标准串行接口完全兼容。
• 连接步骤：以SPI接口为例，需将CPU的串行接口设为主模式，选择合适的时钟频率，通过通用I/O线拉低CS/SHDN，等待唤醒时间，激活SCLK进行数据读取。

六、布局与设计要点

1. PCB布局

• 模拟与数字分离：确保模拟和数字走线分开，避免相互干扰。
• 接地设计：采用星型接地，降低接地阻抗，减少噪声。
• 电源旁路：使用0.1µF和1µF的并联电容对VDD进行旁路，靠近电源引脚，必要时添加衰减电阻。

2. 输入保护

内部保护二极管可使输入通道在GND - 300mV至VDD + 300mV范围内摆动而不受损坏，但为保证准确转换，输入不应超过VDD + 50mV或低于GND - 50mV。若输入电压超过电源，需限制输入电流至4mA。

七、总结

MAX157和MAX159以其低功耗、高性能和易于使用的特点，成为电池供电和数据采集应用的理想选择。在实际设计中，我们需要根据具体需求选择合适的工作模式和接口连接方式，同时注意PCB布局和输入保护，以充分发挥这两款ADC的性能优势。大家在使用过程中是否遇到过类似ADC的一些特殊问题呢？欢迎在评论区分享交流。