MAX1291/MAX1293：高性能12位ADC的卓越之选

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，我们要深入探讨的是Maxim公司的两款出色产品——MAX1291和MAX1293，它们以其高性能、低功耗和灵活的配置，在众多应用场景中展现出独特的优势。

文件下载：MAX1291.pdf

产品概述

MAX1291和MAX1293是低功耗的12位ADC，采用逐次逼近型转换技术，具备自动掉电、快速唤醒（2µs）、片内时钟、+2.5V内部参考以及高速字节并行接口等特性。它们仅需单路+3V模拟电源供电，并且通过VLOGIC引脚可直接与+1.8V至+5.5V的数字电源接口，大大增强了与不同数字系统的兼容性。

在最大采样率250ksps时，功耗仅为5.7mW（VDD = VLOGIC）。同时，它们提供两种软件可选的掉电模式，可在转换之间关闭芯片，访问并行接口即可恢复正常操作。在降低采样率时，掉电模式可将电源电流降至10µA以下，显著降低功耗，非常适合电池供电的应用。

两款器件均支持软件配置的模拟输入，可实现单极性/双极性以及单端/伪差分操作。MAX1291在单端模式下有8个输入通道，MAX1293则有4个输入通道；在伪差分模式下，分别为4个和2个输入通道。这种灵活的输入配置使得它们能够适应不同的应用需求。

产品特性

高精度与高性能

• 12位分辨率与出色线性度：具备12位分辨率，线性度可达±0.5 LSB，能够提供高精度的转换结果。
• 优秀的动态性能：在动态性能方面表现出色，信号 - 噪声加失真比（SINAD）可达70dB，总谐波失真（THD）低至 - 78dB，无杂散动态范围（SFDR）高达80dB，能够有效抑制噪声和失真，保证信号的准确转换。
• 宽带宽：拥有250kHz的全线性带宽和3MHz的全功率带宽，可利用欠采样技术对高速瞬态信号进行数字化处理，测量带宽超过ADC采样率的周期性信号。

低功耗设计

• 多种功耗模式：提供多种功耗模式，在不同采样率下都能实现低功耗运行。例如，在250ksps时电流为1.9mA，100ksps时为1.0mA，10ksps时为400µA，关机模式下仅为2µA。
• 掉电模式：通过软件可选的掉电模式，可在转换之间关闭芯片，进一步降低功耗，延长电池使用寿命。

灵活的配置与接口

• 软件可配置输入：支持软件配置的模拟输入，可选择单极性/双极性以及单端/伪差分操作，满足不同应用场景的需求。
• 并行接口：采用字节并行（8 + 4）接口，方便与标准微处理器进行接口，简化了系统设计。

小封装尺寸

MAX1291采用28引脚QSOP封装，MAX1293采用24引脚QSOP封装，小封装尺寸节省了电路板空间，适合对空间要求较高的应用。

应用领域

由于其高性能和低功耗的特点，MAX1291和MAX1293广泛应用于多个领域：

• 工业控制系统：可用于工业自动化中的数据采集和控制，确保系统的高精度和稳定性。
• 数据记录：在数据记录系统中，能够准确采集和记录各种模拟信号。
• 能源管理：帮助实现能源数据的精确测量和管理，提高能源利用效率。
• 患者监测：在医疗设备中，用于患者生理信号的采集和监测，保障医疗诊断的准确性。
• 数据采集系统：作为数据采集系统的核心部件，提供高精度的模拟 - 数字转换。
• 触摸屏：可用于触摸屏的信号采集，实现精准的触摸操作。

电气特性

直流精度

• 分辨率：12位分辨率确保了高精度的转换。
• 相对精度：MAX129_A型号的相对精度可达±0.5 LSB，MAX129_B型号为±1 LSB。
• 差分非线性：差分非线性（DNL）小于±1 LSB，保证了无丢失码和单调的传输函数。
• 偏移误差：偏移误差最大为±4 LSB。
• 增益误差：增益误差在合理范围内，增益温度系数为±2.0 ppm/°C。

动态特性

• 信号 - 噪声加失真比（SINAD）：在特定条件下可达70dB，有效抑制噪声和失真。
• 总谐波失真（THD）：低至 - 78dB，保证了信号的纯净度。
• 无杂散动态范围（SFDR）：高达80dB，提供了良好的动态性能。
• 互调失真（IMD）：在特定频率下为76dB，减少了信号之间的干扰。
• 通道间串扰：在特定频率下为 - 78dB，保证了通道间的独立性。

转换速率

• 转换时间：根据不同的时钟和采集模式，转换时间有所不同，外部时钟模式下为3.3µs，外部采集/内部时钟模式下为2.5 - 3.5µs，内部采集/内部时钟模式下为3.2 - 4.1µs。
• 跟踪/保持采集时间：最大为625ns，确保了快速准确的信号采集。
• 孔径延迟：外部采集或外部时钟模式下为50ns，内部采集/内部时钟模式下小于200ps。
• 外部时钟频率：范围为0.1 - 4.8MHz，占空比为30% - 70%。

电源要求

• 模拟电源电压：范围为2.7 - 3.6V。
• 数字电源电压：范围为1.8 - VDD + 0.3V。
• 正电源电流：在不同工作模式和采样率下有所不同，关机模式下电流低至2 - 10µA。
• VLOGIC电流：在不同工作状态下有所变化，不转换时为2 - 10µA。
• 电源抑制比：在VDD = 3V ±10%、满量程输入时为±0.4 - ±0.9mV。

引脚配置与功能

MAX1291和MAX1293的引脚配置各有特点，涵盖了各种功能引脚，如数据输入/输出引脚、控制引脚、时钟引脚、模拟输入引脚等。通过合理配置这些引脚，可以实现不同的功能和操作模式。例如，HBEN引脚用于多路复用12位转换结果，INT引脚在转换完成且输出数据准备好时变为低电平，RD和WR引脚分别控制读取和写入操作等。

工作原理与操作模式

转换原理

MAX1291/MAX1293采用逐次逼近型（SAR）转换技术和输入跟踪/保持（T/H）阶段，将模拟输入信号转换为12位数字输出。在单端和伪差分操作模式下，通过内部的模拟比较器和输入多路复用器实现信号的采样和转换。

跟踪/保持阶段

T/H阶段在WR的上升沿进入跟踪模式，在不同的采集模式下进入保持模式。在单端操作中，IN - 连接到COM，转换器对正输入进行采样；在伪差分操作中，IN - 连接到负输入，采样两者的差值。

启动转换

通过写入控制字节来启动转换，控制字节可选择多路复用器通道，并配置单极性或双极性操作。写入脉冲（WR + CS）可启动采集间隔或启动采集加转换的组合操作。

采集模式

• 内部采集：通过清除ACQMOD位（ACQMOD = 0）选择内部采集，写入脉冲启动采集间隔，采集结束后开始转换。
• 外部采集：使用外部采集模式可精确控制采样孔径和采集/转换时间，用户通过两个单独的写入脉冲分别控制采集和转换的开始。

读取转换结果

标准中断信号INT用于通知微处理器转换结束且结果可用。INT在转换完成且输出数据准备好时变为低电平，在第一次读取周期或写入新的控制字节时返回高电平。

时钟模式

• 内部时钟模式：通过设置控制字节的D7为1、D6为0选择内部时钟模式，内部时钟频率确定后，转换时间为3.6µs。
• 外部时钟模式：将控制字节的D6和D7设置为1选择外部时钟模式，推荐使用100kHz - 4.8MHz的时钟频率，占空比为30% - 70%。

应用注意事项

电源与接地

• 电源旁路：为了减少电源噪声对ADC的影响，需要在VDD引脚附近使用0.1µF和4.7µF的并联电容进行旁路，同时可根据电源噪声情况添加5Ω的衰减电阻。
• 接地布局：采用印刷电路板（PC），确保模拟和数字走线的正确分离，避免模拟和数字线平行布线，不要在ADC封装下方布置数字信号路径。使用单独的模拟和数字PC板接地部分，并通过一个星点连接两个接地系统，确保接地返回路径的低阻抗和短距离。

参考电压

• 内部参考：内部参考可提供+2.5V的参考电压，通过外部电位器可进行小范围（±100mV）的调整。为了减少参考噪声和开关尖峰，需要在REF和GND之间连接4.7µF的电容，在REFADJ和GND之间连接0.01µF的电容。
• 外部参考：外部参考可连接到REF或REFADJ引脚。连接到REFADJ时无需缓冲，其输入阻抗约为17kΩ；连接到REF时，需要将REFADJ连接到VDD以禁用内部参考缓冲器，REF的直流输入电阻为25kΩ，外部参考需要提供高达200µA的直流负载电流，输出阻抗应小于10Ω，可在REF引脚附近使用4.7µF的电容进行旁路。

掉电模式

• 待机模式：待机模式下电源电流约为850µA，在WR的下一个上升沿上电并准备进行转换，适用于转换速率低于250ksps的应用，可显著降低功耗。
• 关机模式：关机模式下关闭所有消耗静态电流的芯片功能，转换完成后典型电源电流降至2µA。WR的上升沿使芯片退出关机模式并返回正常操作，使用4.7µF参考旁路电容时，上电后需要500µs才能达到全12位精度；使用外部参考时，上电后仅需50µs。

最大采样率与性能

在最大时钟频率4.8MHz下，通过每19个时钟周期完成一次转换，可实现250ksps的指定吞吐量。通过先写入控制字开始下一次转换的采集周期，再从总线读取上一次转换的结果，可将吞吐量提高到300ksps。但需要注意的是，在采集或转换期间数据总线的切换可能会引入额外的电源噪声，影响12位性能的实现。

总结

MAX1291和MAX1293以其高精度、低功耗、灵活的配置和小封装尺寸等优势，成为众多应用场景中模拟 - 数字转换的理想选择。无论是工业控制、数据记录、能源管理还是医疗监测等领域，它们都能提供可靠的性能和出色的解决方案。在实际应用中，工程师们需要根据具体需求合理选择工作模式、配置引脚和优化电路布局，以充分发挥这两款ADC的性能优势。你在使用类似ADC时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。