深入解析MAX1204：5V 8通道串行10位ADC的强大性能与应用

在电子设计领域，模数转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。今天，我们将深入探讨Maxim Integrated推出的MAX1204，一款专为混合 +5V（模拟）和 +3V（数字）电源电压应用而设计的10位数据采集系统。

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一、产品概述

MAX1204具备8通道多路复用器、内部跟踪/保持电路和串行接口，结合了高转换速度和低功耗的特点。它可以使用单 +5V 模拟电源或双 ±5V 模拟电源，通过4线串行接口可直接连接到SPI/MICROWIRE®设备，无需外部逻辑，串行选通输出还能直接连接到TMS320系列数字信号处理器。

1. 主要特性

• 多通道输入：支持8通道单端或4通道差分输入，提供了丰富的信号采集选择。
• 宽电源范围：可在 +5V 单电源或 ±5V 双电源下工作，适应不同的电源环境。
• 可调节输出逻辑电平：用户可将输出逻辑电平设置在2.7V 至 5.25V 之间，方便与不同逻辑电平的设备接口。
• 低功耗：工作模式下电流仅为1.5mA，掉电模式下低至2µA，有效降低了系统功耗。
• 内部参考：集成4.096V参考和参考缓冲放大器，简化了增益调整。
• 高速接口：SPI/MICROWIRE/TMS320兼容的4线串行接口，最高工作频率可达2MHz。
• 软件可配置输入模式：支持软件配置单极性/双极性输入，满足不同应用需求。

2. 封装与温度范围

MAX1204提供20引脚的SSOP和PDIP封装，适用于商业和扩展温度范围，满足不同应用场景的要求。

二、电气特性

1. 直流精度

• 分辨率：10位分辨率，能够提供较为精确的模拟信号数字化转换。
• 相对精度：MAX1204A的积分非线性（INL）为 ±0.5 LSB，MAX1204B为 ±1.0 LSB，且在整个温度范围内无丢失码。
• 差分非线性：差分非线性（DNL）为 ±1.0 LSB，保证了转换的线性度。
• 偏移误差和增益误差：MAX1204A的偏移误差为 ±1.0 LSB，增益误差为 ±1.0 LSB；MAX1204B的偏移误差为 ±2.0 LSB，增益误差为 ±2.0 LSB。
• 增益温度系数：外部参考为4.096V时，增益温度系数为 ±0.8 ppm/°C，确保了在不同温度环境下的稳定性。

2. 动态特性

• 信号噪声失真比（SINAD）：在10kHz正弦波输入、4.096VP - P、133ksps采样率和2.0MHz外部时钟的条件下，SINAD为66 dB，表明其对信号的还原能力较强。
• 总谐波失真（THD）：THD为 -70 dB，有效减少了谐波干扰。
• 无杂散动态范围（SFDR）：SFDR为70 dB，提高了信号的纯净度。
• 通道间串扰：通道间串扰为 -75 dB，降低了通道之间的相互干扰。
• 带宽：小信号带宽为4.5 MHz，全功率带宽为800 kHz，能够处理较高频率的信号。

3. 转换速率

• 转换时间：内部时钟模式下，转换时间为5.5 - 10 µs；外部时钟2MHz、12个时钟/转换周期时，转换时间为6 µs。
• 跟踪/保持采集时间：跟踪/保持采集时间为1.5 µs，确保了快速准确的信号采集。
• 孔径延迟和抖动：孔径延迟为10 ns，孔径抖动小于50 ps，保证了信号采集的准确性。

4. 模拟输入

• 输入电压范围：单端和差分输入电压范围为 ±VREF / 2 至 VREF，可根据不同的参考电压进行调整。
• 多路复用器泄漏电流：多路复用器泄漏电流为 ±0.01 - ±1 µA，减少了信号的泄漏。
• 输入电容：输入电容为16 pF，对输入信号的影响较小。

5. 内部参考

• 参考输出电压：TA = +25°C时，REF输出电压为4.076 - 4.096 - 4.116 V，提供了稳定的参考电压。
• 参考短路电流：REF短路电流为30 mA，保证了参考电路的安全性。
• 参考温度系数：MAX1204AC的VREF温度系数为 ±30 - ±50 ppm/°C，MAX1204AE为 ±30 - ±60 ppm/°C，MAX1204B为 ±30 ppm/°C，确保了参考电压在不同温度下的稳定性。
• 负载调节：0mA至0.5mA输出负载时，负载调节为2.5 mV，保证了参考电压的稳定性。

6. 外部参考

• 输入电压范围：外部参考输入电压范围为2.50 VDD + 50mV V，可适应不同的外部参考源。
• 输入电流：输入电流为200 - 350 µA，对外部参考源的负载较小。
• 输入电阻：输入电阻为12 - 20 kΩ，保证了信号的传输质量。
• 关断时参考输入电流：VSHDN = 0V时，REF输入电流为1.5 - 10 µA，降低了关断时的功耗。
• 参考缓冲器禁用阈值：REFADJ缓冲器禁用阈值为50mV VDD - V，方便控制参考缓冲器的工作状态。

7. 电源要求

• 正电源电压：正电源电压VDD为5 ±5% V，提供了稳定的电源供应。
• 负电源电压：负电源电压VSS为0或 -5 ±5% V，可根据需要选择不同的电源配置。
• 正电源电流：工作模式下正电源电流IDD为1.5 - 2.5 mA，快速掉电模式下为30 - 70 µA，全掉电模式下为2 - 10 µA，有效降低了功耗。
• 负电源电流：工作模式和快速掉电模式下负电源电流ISS为50 µA，全掉电模式下为10 µA。
• 逻辑电源电压：逻辑电源电压VL为2.70 - 5.25 V，可根据需要调整逻辑电平。
• 逻辑电源电流：VL = VDD = 5V时，逻辑电源电流IVL为10 µA。
• 电源抑制比：正电源抑制比（PSR）、负电源抑制比和逻辑电源抑制比在满量程输入时均在 ±0.06 - ±0.5 mV之间，有效抑制了电源噪声的影响。

8. 数字输入输出

• 数字输入：DIN、SCLK、CS输入高电压为2.0 V，输入低电压为0.8 V，输入滞后为0.15 V，输入泄漏电流为 ±1 µA，输入电容为15 pF。SHDN输入高电压为VDD - 0.5 V，输入中电压为1.5 VDD - 1.5 V，输入低电压为0.5 V，输入电流在高电平时为4.0 µA，低电平时为 -4.0 µA，中输入时最大允许泄漏电流为 -100 - 100 nA。
• 数字输出：当VL = 2.7V至3.6V时，输出电压低（V OL）在I SINK = 3mA时为0.4 V，I SINK = 6mA时为0.3 V；输出电压高（V OH）在I SOURCE = 1mA时为VL - 0.5 V；三态泄漏电流为 ±10 µA，三态输出电容为15 pF。当VL = 4.75V至5.25V时，输出电压低（V OL）在I SINK = 5mA时为0.4 V，I SINK = 8mA时为0.3 V；输出电压高（V OH）在I SOURCE = 1mA时为4 V；三态泄漏电流为 ±10 µA，三态输出电容为15 pF。

三、工作原理

1. 转换技术

MAX1204采用逐次逼近转换技术和输入跟踪/保持（T/H）电路，将模拟信号转换为10位数字输出。在采集间隔内，选定的正输入（IN+）通道对电容CHOLD充电，采集间隔持续三个SCLK周期，在输入控制字的最后一位进入后的SCLK下降沿结束。T/H开关在采集间隔结束时打开，将CHOLD上的电荷保留为IN+处信号的样本。转换间隔开始时，输入多路复用器将CHOLD从正输入（IN+）切换到负输入（IN-），电容DAC在转换周期的剩余时间内进行调整，使比较器输入的节点ZERO恢复到0V，从而形成模拟输入信号的数字表示。

2. 跟踪/保持

T/H在8位控制字的第5位移入后的时钟下降沿进入跟踪模式，在第8位移入后的时钟下降沿进入保持模式。如果转换器设置为单端输入，IN-连接到GND，转换器对“+”输入进行采样；如果设置为差分输入，IN-连接到“-”输入，对|IN+ - IN-|的差值进行采样。转换结束时，正输入连接回IN+，CHOLD充电到输入信号。T/H获取输入信号所需的时间取决于其输入电容的充电速度，输入信号源阻抗高时，采集时间会增加，需要在转换之间留出更多时间。采集时间 (t{ACO}) 由公式 (t{ACO}=7 timesleft(R{S}+R{IN}right) × 16 pF) 计算，其中 (R{IN}=9 k Omega) ， (R{S}) 为输入信号的源阻抗，且 (t_{ACO}) 不小于1.5µs。

3. 输入带宽

ADC的输入跟踪电路具有4.5MHz的小信号带宽，可使用欠采样技术对高速瞬态事件进行数字化，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到感兴趣的频带，建议使用抗混叠滤波。

4. 模拟输入范围和输入保护

内部保护二极管将模拟输入钳位到VDD和VSS，允许模拟输入引脚在 (VSS - 0.3V) 至 (VDD + 0.3V) 范围内摆动而不损坏。但为了在满量程附近进行准确转换，输入不得超过VDD 50mV或低于VSS 50mV。如果模拟输入超过电源50mV，不要使非通道的保护二极管正向偏置超过2mA，以免影响通道转换精度。

四、操作与配置

1. 启动转换

将控制字节时钟输入到DIN即可启动MAX1204的转换。CS为低电平时，SCLK的每个上升沿将DIN的一位时钟输入到MAX1204的内部移位寄存器。CS下降后，第一个逻辑“1”位定义控制字节的最高有效位（MSB）。在这个“起始”位到达之前，任何数量的逻辑“0”位时钟输入到DIN都不会产生影响。控制字节格式如下：	Bit 7 (MSB)	Bit 6	Bit 5	Bit 4	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0 (LSB)
START	SEL 2	SEL1	SEL0	UNI/BIP	SGL/DIF	PD1	PDO

其中，START为起始位，SEL2、SEL1、SEL0用于选择转换通道，UNI/BIP选择单极性或双极性转换模式，SGL/DIF选择单端或差分转换，PD1和PD0选择时钟和掉电模式。

2. 简单软件接口

要使用简单软件接口进行转换，需确保CPU的串行接口运行在主模式，选择100kHz至2MHz的时钟频率。具体步骤如下：

1. 设置外部时钟模式的控制字节TB1，格式为1XXXXX11二进制，其中X表示所选的特定通道和转换模式。
2. 使用CPU的通用I/O线将MAX1204的CS拉低。
3. 发送TB1并同时接收一个字节RB1，忽略RB1。
4. 发送全零字节（$00十六进制）并同时接收字节RB2。
5. 再次发送全零字节（$00十六进制）并同时接收字节RB3。
6. 将MAX1204的CS拉高。

3. 内部和外部时钟模式

MAX1204可以使用外部串行时钟或内部时钟进行逐次逼近转换。在两种时钟模式下，外部时钟用于将数据移入和移出MAX1204。控制字节的PD1和PD0位用于编程时钟模式。

• 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A/D转换步骤。控制字节的最后一位之后，SSTRB脉冲高电平一个时钟周期。在接下来的12个SCLK下降沿上，逐次逼近位决策完成并出现在DOUT上。CS为高电平时，SSTRB和DOUT进入高阻抗状态；下一个CS下降沿后，SSTRB输出逻辑低电平。如果时钟周期超过10µs或串行时钟中断可能导致转换间隔超过120µs，建议使用内部时钟模式。
• 内部时钟模式：MAX1204生成自己的转换时钟，使µP无需运行SAR转换时钟，允许在转换完成后以0至2MHz的任何时钟速率读取转换结果。转换开始时SSTRB变低，转换完成时变高。SSTRB低电平时间最长为10µs，在此期间SCLK应保持低电平以获得最佳噪声性能。转换过程中，内部寄存器存储数据，转换完成后，SCLK可在任何时间将数据从该寄存器时钟输出。启动转换后，CS无需保持低电平。选择内部时钟模式时，CS为高电平时SSTRB不会进入高阻抗状态。

五、应用信息

1. 上电复位

首次上电且SHDN未拉低时，内部上电复位电路使MAX1204在内部时钟模式下激活，准备进行转换，SSTRB为高电平。电源稳定后，内部复位时间为100µs，在此期间不应进行转换。上电时SSTRB为高电平，CS为低电平时，DIN上的第一个逻辑1被解释为起始位。在进行转换之前，DOUT移出零。

2. 参考缓冲器补偿

SHDN除了具有关机功能外，还可选择内部或外部补偿。补偿会影响上电时间和最大转换速度。由于采样保持的下垂，无论是否补偿，最小时钟速率为100kHz。

• 外部补偿：将SHDN浮空选择外部补偿。典型工作电路在REF处使用4.7µF电容，4.7µF或更大的值可确保稳定性，并允许转换器以2MHz的全时钟速度运行。外部补偿会增加上电时间。
• 内部补偿：将SHDN拉高选择内部补偿，内部补偿无需在REF处使用外部电容，可实现最短的上电时间，但仅适用于最高400kHz的外部时钟。

3. 掉电模式

可以通过在转换之间将转换器置于低电流关机状态来节省功率。可通过DIN控制字节的第1位和第0位选择全掉电或快速掉电模式，SHDN为高电平或浮空（表2和表6）。任何时候将SHDN拉低可完全关闭转换器，SHDN会覆盖控制字节的第1位和第0位。

• 全掉电模式：关闭所有消耗静态电流的芯片功能，将IDD和ISS通常降低到2µA。
• 快速掉电模式：关闭除带隙参考之外的所有电路，电源电流为30µA。在内部补偿模式下，上电时间可缩短至5µs。

4. 外部和内部参考

MAX1204可使用内部或外部参考。外部参考可直接连接到REF端子或REFADJ引脚。

• 内部参考：MAX1204的内部缓冲器设计为在REF处提供4.096V，其内部微调的2.44V参考通过1.68的标称增益进行缓冲。使用内部参考时，单极性输入的满量程范围为4.096V，双极性输入为 ±2.048V。内部参考电压可通过图17所示的电路调整 ±1.5%。
• 外部参考：外部参考可放置在MAX1204内部缓冲放大器的输入（REFADJ）或输出（REF）处。REFADJ输入阻抗通常为20kΩ，REF处的输入阻抗对于直流电流最小为12kΩ。转换期间，REF处的外部参考必须提供高达35