MAX1227/MAX1229/MAX1231：12位300ksps ADC的技術剖析與應用指南

在電子設計領域，模擬 - 數字轉換器（ADC）是連接現(xiàn)實世界模擬信號與數字系統(tǒng)的關鍵橋梁。今天，我們將深入探討Maxim公司的MAX1227/MAX1229/MAX1231這三款12位300ksps ADC，了解它們的特性、工作原理以及應用場景。

文件下載：MAX1231BETI+T.pdf

一、產品概述

MAX1227/MAX1229/MAX1231是具有內部參考和內部溫度傳感器的串行12位ADC。它們具備片上FIFO、掃描模式、內部時鐘模式、內部平均以及AutoShutdown?等特性，最大采樣率可達300ksps（使用外部時鐘）。這三款器件的輸入通道數量有所不同，MAX1231有16個輸入通道，MAX1229有12個輸入通道，MAX1227有8個輸入通道，且所有輸入通道可配置為單端或差分輸入，支持單極性或雙極性模式。它們均采用+3V電源供電，并包含一個10MHz SPI? - /QSPI? - /MICROWIRE?兼容的串行端口。

二、產品特性亮點

2.1 溫度傳感器

內部溫度傳感器的精度可達±0.7°C，能夠準確測量環(huán)境溫度，為溫度控制和監(jiān)測應用提供可靠的數據。

2.2 FIFO緩沖器

擁有16項先進先出（FIFO）緩沖器，可容納多達16個ADC結果和一個溫度結果，允許ADC處理多個內部時鐘轉換和溫度測量，而無需占用串行總線。

2.3 模擬多路復用器

具備真正的差分模擬多路復用器和跟蹤/保持功能，支持16、12、8通道單端輸入以及8、6、4通道真正差分輸入（單極性或雙極性），提供了靈活的輸入配置選項。

2.4 高精度

具有±1 LSB的積分非線性（INL）和差分非線性（DNL），無丟失碼，確保了高精度的轉換結果。

2.5 低功耗

采用單+3V電源供電，在300ksps采樣率下電流僅為1mA，適合低功耗應用場景。

2.6 內部參考

提供內部2.5V參考或外部差分參考選項，滿足不同應用的需求。

2.7 高速接口

支持10MHz 3線SPI - /QSPI - /MICROWIRE兼容接口，實現(xiàn)高速數據傳輸。

三、電氣特性詳解

3.1 直流精度

分辨率為12位，INL和DNL誤差均為±1.0 LSB，偏移誤差和增益誤差在±0.5 - ±4.0 LSB之間，偏移誤差溫度系數為±2 ppm/°C FSR，增益溫度系數為±0.8 ppm/°C，通道間偏移匹配為±0.1 LSB。

3.2 動態(tài)特性

在30kHz正弦波輸入、2.5V P - P、300ksps采樣率和4.8MHz時鐘頻率下，信號 - 噪聲加失真比（SINAD）為71dB，總諧波失真（THD）為 - 80dBc，無雜散動態(tài)范圍（SFDR）為81dBc，互調失真（IMD）為76dBc，全功率帶寬為1MHz，全線性帶寬為100kHz。

3.3 轉換速率

上電時間根據參考類型不同而有所差異，外部參考為0.8μs，內部參考為65μs。采集時間為0.6μs，轉換時間在內部時鐘模式下為3.5μs，外部時鐘模式下為2.7μs。外部時鐘頻率范圍為0.1 - 4.8MHz，數據I/O時鐘頻率可達10MHz。

3.4 模擬輸入

輸入電壓范圍在單極性模式下為0 - VREF/2到VREF，雙極性模式下為±VREF/2。輸入泄漏電流為±0.01 - ±1μA，輸入電容在采集時間內為24pF。

3.5 內部溫度傳感器

測量誤差在TA = +25°C時為±0.7°C，在TA = TMIN到TMAX時為±1.2 - ±2.5°C，溫度測量噪聲為0.4°C RMS，溫度分辨率為1/8°C，電源抑制比為0.3°C/V。

3.6 內部參考

參考輸出電壓為2.48 - 2.52V，參考溫度系數為±30 ppm/°C，輸出電阻為6.5kΩ，參考輸出噪聲為200μV RMS，參考電源抑制比為 - 70dB。

3.7 外部參考輸入

REF - 輸入電壓范圍為0 - 500mV，REF + 輸入電壓范圍為1.0 - VDD + 50mV，REF + 輸入電流在VREF + = 2.5V、fSAMPLE = 300ksps時為40 - 100μA，在VREF + = 2.5V、fSAMPLE = 0時為±0.1 - ±5μA。

3.8 數字輸入輸出

數字輸入的低電平電壓為VDD x 0.3V，高電平電壓為VDD x 0.7V，輸入滯后為200mV，輸入泄漏電流為±0.01 - ±1.0μA，輸入電容為15pF。數字輸出的低電平電壓在不同負載電流下為0.4 - 0.8V，高電平電壓為VDD - 0.5V，三態(tài)泄漏電流為±0.05 - ±1μA，三態(tài)輸出電容為15pF。

3.9 電源要求

電源電壓范圍為2.7 - 3.6V，電源電流根據不同工作模式和參考類型有所不同，在溫度傳感時為2400 - 2700μA，采樣率為300ksps時為1750 - 2000μA，關機時為0.2 - 5μA。電源抑制比為±0.2 - ±1mV。

四、工作原理與操作模式

4.1 轉換器操作

采用全差分逐次逼近寄存器（SAR）轉換技術和片上跟蹤/保持（T/H）模塊，將溫度和電壓信號轉換為12位數字結果。支持單端和差分配置，單端模式下為單極性信號范圍，差分模式下為雙極性或單極性范圍。

4.2 輸入帶寬

ADC的輸入跟蹤電路具有1MHz小信號帶寬，可通過欠采樣技術數字化高速瞬態(tài)事件并測量帶寬超過采樣率的周期性信號。但為避免高頻信號混疊，需要對輸入信號進行抗混疊預濾波。

4.3 模擬輸入保護

內部ESD保護二極管將所有引腳鉗位到VDD和GND，允許輸入在(GND - 0.3V)到(VDD + 0.3V)范圍內擺動而不損壞。但為實現(xiàn)滿量程附近的準確轉換，輸入不得超過VDD 50mV或低于GND 50mV。若非通道模擬輸入電壓超過電源，需將輸入電流限制在2mA。

4.4 3線串行接口

支持SPI/QSPI和MICROWIRE設備的串行接口。對于SPI/QSPI，CPU串行接口需運行在主模式以生成串行時鐘信號。SCLK頻率應選擇10MHz或更低，并將時鐘極性（CPOL）和相位（CPHA）設置為相同值。器件可在SCLK空閑高或低狀態(tài)下工作，即CPOL = CPHA = 0或CPOL = CPHA = 1。通過將CS置低，在SCLK上升沿鎖存DIN輸入數據，在SCLK下降沿更新DOUT輸出數據。雙極性真正差分結果和溫度傳感器結果以二進制補碼格式輸出，其他則為二進制格式。

4.5 單端/差分輸入

通過寫入設置寄存器，可將模擬輸入配置為差分或單端轉換。單端轉換內部參考為GND，差分模式下T/H采樣兩個模擬輸入之間的差值，消除共模直流偏移和噪聲。

4.6 單極性/雙極性模式

通過設置寄存器的最后2位（LSBs）控制單極性/雙極性模式地址寄存器。設置為10時寫入單極性模式寄存器，設置為11時寫入雙極性模式寄存器。單極性模式下差分輸入范圍為0到VREF，負差分模擬輸入導致數字輸出代碼為零；雙極性模式下差分輸入范圍為±VREF/2，數字輸出代碼在單極性模式下為二進制，在雙極性模式下為二進制補碼。

4.7 內部FIFO

內部FIFO可容納多達16個ADC結果和一個溫度結果。若FIFO已滿且在未讀取數據的情況下請求進一步轉換，最舊的ADC結果將被新結果覆蓋。每個結果包含2字節(jié)，MSB前有四個前導零。每次CS下降沿后，最舊的可用數據字節(jié)以MSB優(yōu)先的方式在DOUT輸出。FIFO為空時，DOUT為零。

4.8 內部時鐘

器件由內部振蕩器驅動，其精度在4.4MHz標稱時鐘速率的10%以內。內部振蕩器在時鐘模式00、01和10下激活，數據讀取時鐘速度可達10MHz。

五、應用信息

5.1 寄存器描述

通過SPI - /QSPI兼容的串行接口，MAX1227/MAX1229/MAX1231可在內部寄存器和外部電路之間進行通信。主要寄存器包括轉換寄存器、設置寄存器、平均寄存器、復位寄存器、單極性寄存器和雙極性寄存器，每個寄存器的位功能和配置方式在文檔中有詳細說明。

5.2 轉換時間計算

轉換時間取決于多個因素，如每個樣本的轉換時間、每個結果的樣本數、每次掃描的結果數、是否請求溫度測量以及是否使用外部參考。對于內部時鐘模式00和10，可使用公式“total conversion time = tcnv × navg × nresult + tTS + tRP”計算總轉換時間；在時鐘模式01下，總轉換時間取決于CNVST的高低電平持續(xù)時間；在外部時鐘模式（CKSEL1, CKSEL0 = 11）下，轉換時間取決于SCLK周期和CS在每組八個SCLK周期之間的高電平持續(xù)時間。

5.3 溫度測量

通過內部二極管連接的晶體管進行溫度測量。二極管偏置電流從68μA變?yōu)?μA，產生與溫度相關的偏置電壓差。通過減去兩次轉換結果計算與絕對溫度成比例的數字值，輸出數據為該數字代碼減去一個偏移量以將溫度從開爾文轉換為攝氏度。

5.4 輸出數據格式

12位轉換結果以MSB優(yōu)先的格式輸出，前有四個前導零。DIN數據在SCLK上升沿鎖存到串行接口，DOUT數據在SCLK下降沿轉換。時鐘模式00和01的轉換由CNVST啟動，時鐘模式10和11的轉換通過向轉換寄存器寫入輸入數據字節(jié)啟動。單極性模式下數據為二進制，雙極性模式下為二進制補碼。

六、布局、接地和旁路建議

為獲得最佳性能，建議使用PC板，避免使用繞線板。電路板布局應確保數字和模擬信號線相互分離，避免模擬和數字（特別是時鐘）信號相互平行或數字線在MAX1227/MAX1229/MAX1231封裝下方走線。VDD電源中的高頻噪聲會影響性能，應在VDD引腳附近使用0.1μF電容旁路到GND，并盡量減小電容引線長度以提高電源噪聲抑制能力。若電源噪聲較大，可在電源中串聯(lián)一個10Ω電阻以改善電源濾波。對于TQFN封裝，應將其暴露焊盤連接到地。

七、總結

MAX1227/MAX1229/MAX1231是一款功能強大、性能優(yōu)越的12位300ksps ADC，具有高精度、低功耗、靈活的輸入配置和豐富的功能特性。在系統(tǒng)監(jiān)控、數據采集、工業(yè)控制、患者監(jiān)測、數據記錄和儀器儀表等領域具有廣泛的應用前景。電子工程師在設計相關系統(tǒng)時，可以充分利用這些特性，實現(xiàn)高效、可靠的模擬 - 數字轉換。大家在實際應用中是否遇到過類似ADC的使用問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。