高速12位A/D轉(zhuǎn)換器MAX183/184/185的深度剖析與應(yīng)用指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，A/D轉(zhuǎn)換器是連接模擬世界和數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。今天我們要深入探討的是MAXIM公司的高速12位A/D轉(zhuǎn)換器MAX183/184/185，它以其出色的性能和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為眾多工程師的首選。

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一、產(chǎn)品概述

MAX183/184/185是12位、高速的BiCMOS模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），功耗僅90mW，轉(zhuǎn)換時(shí)間最短可達(dá)3μs。這三款ADC的功能基本相同，主要區(qū)別在于轉(zhuǎn)換時(shí)間：MAX183為3μs，MAX184為5μs，MAX185為10μs。它們需要一個(gè)外部 - 5V參考電壓，緩沖參考輸入可降低參考電流要求，允許一個(gè)參考源驅(qū)動(dòng)多個(gè)ADC。ADC時(shí)鐘可以由晶體或外部時(shí)鐘源（如微處理器時(shí)鐘）驅(qū)動(dòng)。模擬輸入范圍可通過(guò)引腳選擇為0至 + 5V、0至 + 10V或±5V，適用于數(shù)據(jù)采集和模擬輸入輸出卡。其高速數(shù)字接口（100ns數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)間）和三態(tài)數(shù)據(jù)輸出與大多數(shù)微處理器兼容。該系列產(chǎn)品有節(jié)省空間的24引腳窄塑料DIP、CERDIP和寬SO封裝。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

• 電信領(lǐng)域：在通信系統(tǒng)中，需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的數(shù)字化處理，MAX183/184/185的高速轉(zhuǎn)換能力和高精度能夠滿足電信設(shè)備對(duì)信號(hào)處理的要求。
• 聲納和雷達(dá)信號(hào)處理：對(duì)于聲納和雷達(dá)系統(tǒng)，需要實(shí)時(shí)處理大量的模擬信號(hào)，這些ADC的快速轉(zhuǎn)換時(shí)間和高分辨率可以有效地提高信號(hào)處理的效率和準(zhǔn)確性。
• 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：在需要高速采集數(shù)據(jù)的場(chǎng)合，如工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備等，MAX183/184/185能夠快速準(zhǔn)確地將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供基礎(chǔ)。
• 個(gè)人計(jì)算機(jī)I/O板：在計(jì)算機(jī)的輸入輸出接口中，這些ADC可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的交互。

三、產(chǎn)品特性

3.1 高分辨率和高精度

具備12位的分辨率和精度，能夠提供更精確的數(shù)字輸出，滿足對(duì)信號(hào)精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

3.2 快速轉(zhuǎn)換時(shí)間

不同型號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間不同，可根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的型號(hào)，以滿足高速數(shù)據(jù)采集的要求。

3.3 低功耗

僅90mW的功耗，在保證性能的同時(shí)，降低了系統(tǒng)的能耗，延長(zhǎng)了設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

3.4 多種輸入范圍選擇

提供 + 5V、 + 10V或±5V的輸入范圍選擇，增加了產(chǎn)品的靈活性，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

3.5 緩沖參考輸入

緩沖參考輸入可降低參考電流要求，允許一個(gè)參考源驅(qū)動(dòng)多個(gè)ADC，提高了系統(tǒng)的集成度。

3.6 快速總線訪問(wèn)時(shí)間

100ns的總線訪問(wèn)時(shí)間，能夠快速地讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

3.7 寬工作電壓范圍

可在 + 5V和 - 12V至 - 15V的電源下工作，適應(yīng)不同的電源環(huán)境。

3.8 多種封裝形式

提供0.3" DIP或?qū)扴O封裝，方便不同的PCB布局和安裝需求。

四、電氣特性

4.1 絕對(duì)最大額定值

AIN輸入范圍為 - 15V至 + 15V，數(shù)字輸出電壓到DGND的相關(guān)參數(shù)也有明確規(guī)定。在 + 75°C以上，每升高1°C需降額10mW。工作溫度范圍為 - 55°C至 + 125°C，存儲(chǔ)溫度范圍為 - 65°C至 + 150°C。需要注意的是，超過(guò)絕對(duì)最大額定值的應(yīng)力可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞。

4.2 電氣參數(shù)

在特定的電源電壓和時(shí)鐘頻率條件下，對(duì)不同型號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間、模擬輸入電流、VREF輸入電流、邏輯輸出電壓、電源要求等參數(shù)都有詳細(xì)的規(guī)定。例如，MAX183在時(shí)鐘頻率為4MHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間最大為3.125μs。

五、時(shí)序特性

詳細(xì)規(guī)定了CS到RD設(shè)置時(shí)間、RD到BUSY延遲、數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)間等多個(gè)時(shí)序參數(shù)。這些參數(shù)對(duì)于確保ADC與微處理器之間的正確通信和同步至關(guān)重要。例如，CS到RD設(shè)置時(shí)間為0ns，RD到BUSY延遲在CL = 50pF時(shí)，典型值為120ns，最大值為150ns。

六、引腳描述

對(duì)各個(gè)引腳的功能進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，如AIN1和AIN2為模擬輸入引腳，CLKIN為時(shí)鐘輸入引腳，CS和RD為控制輸入引腳等。了解這些引腳的功能和使用方法，有助于正確地連接和使用ADC。

七、詳細(xì)工作原理

7.1 轉(zhuǎn)換操作

采用逐次逼近技術(shù)將模擬輸入轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字輸出代碼?？刂七壿嫳阌谂c大多數(shù)微處理器接口。轉(zhuǎn)換從CS和RD的下降沿開始，一旦啟動(dòng)，不能重新啟動(dòng)。BUSY輸出在轉(zhuǎn)換開始時(shí)變低，可用于控制外部采樣保持電路。

7.2 時(shí)鐘電路

內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器的設(shè)計(jì)需要注意CLKOUT引腳的電容負(fù)載，以降低功耗和避免數(shù)字耦合。如果使用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)CLKIN，CLKOUT應(yīng)懸空；如果使用內(nèi)部振蕩器，需要在CLKOUT和CLKIN之間連接晶體或陶瓷諧振器。

7.3 控制輸入同步

當(dāng)RD與ADC時(shí)鐘不同步時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間可能在12至13個(gè)時(shí)鐘周期之間變化。為確保固定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，RD輸入應(yīng)在CLKIN的上升沿變低，此時(shí)轉(zhuǎn)換持續(xù)12.5個(gè)時(shí)鐘周期。

八、數(shù)字接口時(shí)序和控制

8.1 慢內(nèi)存模式

適用于可以進(jìn)入等待狀態(tài)的微處理器。CS和RD變低觸發(fā)轉(zhuǎn)換，并保持低電平直到轉(zhuǎn)換完成。BUSY變低，上一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)保留在三態(tài)數(shù)據(jù)輸出上。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，BUSY變高，輸出鎖存器將新的轉(zhuǎn)換結(jié)果傳輸?shù)饺龖B(tài)數(shù)據(jù)輸出。

8.2 ROM模式

避免微處理器進(jìn)入等待狀態(tài)。一次讀取操作開始轉(zhuǎn)換，CS和RD變低時(shí)，上一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)可在數(shù)據(jù)輸出上獲取。第二次讀取操作讀取新數(shù)據(jù)并再次開始轉(zhuǎn)換過(guò)程。兩次讀取操作之間需要至少等于MAX183/184/185轉(zhuǎn)換時(shí)間的延遲。

九、應(yīng)用提示

9.1 數(shù)字總線噪聲

如果連接到ADC的數(shù)據(jù)總線在轉(zhuǎn)換期間處于活動(dòng)狀態(tài)，可能會(huì)導(dǎo)致LSB誤差。慢內(nèi)存模式可以通過(guò)讓微處理器進(jìn)入等待狀態(tài)來(lái)避免這個(gè)問(wèn)題；在ROM模式下，如果數(shù)據(jù)總線在轉(zhuǎn)換期間活動(dòng)，可使用三態(tài)驅(qū)動(dòng)器隔離總線和ADC。

9.2 物理布局

為了獲得最佳的系統(tǒng)性能，建議使用印刷電路板，避免使用繞線板。在電路板布局中，應(yīng)盡量分離數(shù)字和模擬信號(hào)線，避免模擬和數(shù)字線相互平行或數(shù)字線位于MAX183/184/185封裝下方。

9.3 接地

建立單點(diǎn)模擬接地（星形接地），與邏輯接地分開，將所有其他模擬接地和MAX183/184/185的DGND連接到這個(gè)星形接地。為了確保ADC的無(wú)噪聲運(yùn)行，應(yīng)使用低阻抗接地返回電源。

9.4 電源旁路

ADC的高速比較器對(duì)VDD和VSS電源中的高頻噪聲敏感，應(yīng)使用0.1μF和10μF的旁路電容將這些電源旁路到模擬星形接地，以抑制電源噪聲。如果 + 5V電源噪聲較大，可以連接一個(gè)小電阻（10 - 20Ω）來(lái)過(guò)濾外部噪聲。

9.5 驅(qū)動(dòng)模擬輸入

輸入信號(hào)到AIN和輸入返回信號(hào)到AGND的引線應(yīng)盡可能短，以減少輸入噪聲耦合。如果引線必須很長(zhǎng)，建議使用屏蔽電纜。驅(qū)動(dòng)AIN的放大器需要具有足夠低的直流輸出阻抗以降低增益誤差，同時(shí)需要低交流輸出阻抗，因?yàn)槟M輸入電流在轉(zhuǎn)換期間會(huì)以時(shí)鐘頻率調(diào)制。

9.6 參考輸入

VREF連接到外部 - 5V源，可以是精密負(fù)參考、連接為兩端設(shè)備以提供 - 5V的正參考（如MX584）或現(xiàn)有的系統(tǒng)參考。REFIN的允許輸入范圍為 - 5.1V至 - 4.9V。VREF（以及雙極性輸入操作中的AIN2）應(yīng)使用10μF電解電容和0.1μF陶瓷電容并聯(lián)旁路到地。

9.7 采樣保持接口

為了確保12位精度，ADC的模擬輸入在整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中必須穩(wěn)定在1/2LSB以內(nèi)。對(duì)于更高帶寬的信號(hào)，應(yīng)使用采樣保持電路。MAX183/184/185的BUSY輸出可用于為采樣保持放大器提供TRACK/HOLD信號(hào)，但需要注意DAC切換可能導(dǎo)致的采樣保持瞬態(tài)問(wèn)題。

十、模擬輸入范圍

提供三種可選的模擬輸入范圍：0V至 + 5V、0V至 + 10V和±5V。不同的輸入范圍需要不同的配置，如在單極性操作中，可使用MX584電壓參考配置為 - 5V；在雙極性操作中，需要兩個(gè)參考電壓： - 5V用于VREF輸入， + 5V用于AIN2輸入。

十一、偏移和滿量程調(diào)整

11.1 單極性操作

在需要偏移和FS范圍調(diào)整的應(yīng)用中，首先調(diào)整偏移。在模擬輸入（AIN1或AIN2）施加1/2LSB（0V至 + 5V范圍為0.61mV，0V至 + 10V范圍為1.22mV），調(diào)整放大器的偏移，直到數(shù)字輸出代碼在0000 0000 0000和0000 0000 0001之間變化。然后調(diào)整滿量程范圍，在模擬輸入施加FS - 3/2LSB（0V至 + 5V范圍為4.99817V，0V至 + 10V范圍為9.99634V），調(diào)整R1直到輸出代碼在1111 1111 1110和1111 1111 1111之間切換。

11.2 雙極性操作

在雙極性操作中，首先在負(fù)滿量程處調(diào)整偏移。在Vin施加 - FS/2 + 1/2LSB（ - 4.99878V），調(diào)整10k電位器，直到輸出代碼在0000 0000 0000和0000 0000 0001之間切換。增益可以在滿量程或雙極性零處調(diào)整。在滿量程調(diào)整時(shí)，在Vin施加FS/2 - 3/2LSBs（4.99634V），調(diào)整200Ω電位器，直到輸出代碼在1111 1111 1110和1111 1111 1111之間切換；在雙極性零處調(diào)整時(shí)，在Vin施加 - 1.22mV，調(diào)整200Ω電位器，直到輸出代碼在0111 1111 1111和1000 0000 0000之間切換。

十二、訂購(gòu)信息

提供了不同型號(hào)在不同溫度范圍和封裝形式下的線性度等信息，方便用戶根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的產(chǎn)品。

綜上所述，MAX183/184/185是一款性能出色、功能豐富的高速12位A/D轉(zhuǎn)換器。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求和場(chǎng)景，合理選擇型號(hào)、正確連接和使用引腳、注意時(shí)序和控制、采取有效的抗干擾措施，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。大家在使用過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。