MAX11192/MAX11195/MAX11198：高性能SAR ADC的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接現(xiàn)實(shí)世界模擬信號(hào)與數(shù)字系統(tǒng)的關(guān)鍵橋梁。今天，我們將深入探討Maxim Integrated推出的MAX11192/MAX11195/MAX11198系列ADC，這是一款具有高性能、小封裝特點(diǎn)的逐次逼近寄存器（SAR）ADC，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。

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一、產(chǎn)品概述

MAX11192/MAX11195/MAX11198是一系列12/14/16位、2Msps的雙通道SAR ADC，具備同時(shí)采樣功能，采用平衡差分輸入，每個(gè)通道都有獨(dú)立的數(shù)據(jù)輸出。該系列ADC的突出特點(diǎn)是在微小的2mm x 3mm封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)了一流的采樣率和分辨率。集成的電壓基準(zhǔn)和基準(zhǔn)緩沖器有助于減少電路板空間、元件數(shù)量和系統(tǒng)成本，內(nèi)部振蕩器設(shè)置轉(zhuǎn)換時(shí)間，簡(jiǎn)化了外部時(shí)序要求。

二、關(guān)鍵特性

2.1 封裝與性能

• 小巧封裝：采用16引腳、3mm x 2mm的TDFN封裝，節(jié)省電路板空間，適合對(duì)空間要求較高的應(yīng)用。
• 高采樣率：高達(dá)2Msps的吞吐量，能夠快速準(zhǔn)確地采集模擬信號(hào)。
• 雙ADC內(nèi)核：兩個(gè)同時(shí)采樣的ADC內(nèi)核，可同時(shí)處理兩個(gè)通道的信號(hào)，提高數(shù)據(jù)采集效率。
• 集成基準(zhǔn)：2.5V集成基準(zhǔn)和基準(zhǔn)緩沖器，減少了外部元件的使用，降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜度。

2.2 電氣性能

• 輸入特性：模擬輸入范圍為±VREF，絕對(duì)輸入電壓范圍為 - 0.1V至VAVDD + 0.1V，共模輸入電壓范圍為VREF/2 - 0.1V至VREF/2 + 0.1V，輸入泄漏電流低至1μA，輸入電容為10pF。
• 靜態(tài)性能：不同型號(hào)的分辨率分別為12/14/16位，無(wú)失碼，偏移誤差和增益誤差小，積分非線性和差分非線性低，保證了高精度的轉(zhuǎn)換結(jié)果。
• 動(dòng)態(tài)性能：在10kHz輸入時(shí)，信號(hào) - 噪聲比（SNR）、信號(hào) - 噪聲和失真比（SINAD）、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）和總諧波失真（THD）等指標(biāo)表現(xiàn)出色，能夠有效抑制噪聲和失真。
• 電源特性：模擬電源電壓范圍為3.0V至5.25V，接口電源電壓范圍為1.7V至3.6V，模擬和接口電源電流低，待機(jī)電流小，降低了功耗。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

該系列ADC適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT）、電機(jī)電流檢測(cè)和可編程邏輯控制器（PLC）等。在這些應(yīng)用中，ADC的高精度和高采樣率能夠滿(mǎn)足對(duì)信號(hào)采集和處理的要求。

四、詳細(xì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 模擬輸入設(shè)計(jì)

• 信號(hào)要求：模擬輸入AINn+和AINn - 應(yīng)采用平衡差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)，輸入信號(hào)范圍為0V至VREF，差分輸入?yún)^(qū)間為 - VREF至 + VREF。
• 輸入保護(hù)：每個(gè)模擬輸入都有專(zhuān)用的輸入鉗位二極管，可防止過(guò)壓，二極管D1和D2提供ESD保護(hù)，并作為輸入電壓的鉗位，最大正向電流為100mA。
• 輸入電容：輸入電容為7pF，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮源電阻和電容對(duì)輸入信號(hào)的影響，確保信號(hào)能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定。

4.2 輸入建立時(shí)間

• 轉(zhuǎn)換周期：轉(zhuǎn)換周期包括跟蹤、SAR轉(zhuǎn)換和讀取數(shù)據(jù)三個(gè)階段。在跟蹤階段，采樣開(kāi)關(guān)閉合，模擬輸入直接連接到采樣電容；CNVST的下降沿為采樣時(shí)刻，此時(shí)跟蹤階段結(jié)束，ADC進(jìn)入SAR轉(zhuǎn)換階段；轉(zhuǎn)換結(jié)束后，通過(guò)SPI總線讀取數(shù)據(jù)。
• 建立時(shí)間要求：為了獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，每個(gè)ADC的跟蹤時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)于輸入信號(hào)的建立時(shí)間。如果由于源電阻過(guò)大導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法在分配的跟蹤時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，建議使用外部ADC驅(qū)動(dòng)放大器來(lái)加快建立速度。

4.3 輸入濾波

對(duì)于噪聲較大的輸入信號(hào)，應(yīng)在ADC驅(qū)動(dòng)放大器輸入之前使用適當(dāng)?shù)?a href="http://m.brongaenegriffin.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器進(jìn)行濾波，以減少噪聲。應(yīng)用圖中的RC網(wǎng)絡(luò)主要用于減少ADC開(kāi)始跟蹤階段時(shí)放大器看到的負(fù)載瞬變，同時(shí)滿(mǎn)足建立時(shí)間要求并限制噪聲帶寬。

4.4 電壓基準(zhǔn)配置

• 內(nèi)部基準(zhǔn)：使用內(nèi)部基準(zhǔn)時(shí)，只需在REF1、REF2和REFIN/OUT引腳添加旁路電容，REF1/REF2引腳需要至少1μF的外部旁路電容。
• 外部基準(zhǔn)：使用外部基準(zhǔn)時(shí)，直接用外部基準(zhǔn)電壓源驅(qū)動(dòng)REFIN/OUT引腳，確?；鶞?zhǔn)電壓不大于AVDD - 250mV，REF1/REF2引腳同樣需要至少1μF的外部旁路電容。

4.5 數(shù)字接口

轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可以在跟蹤階段、轉(zhuǎn)換階段或兩個(gè)階段都進(jìn)行讀取。輸入信號(hào)在CNVST的下降沿同時(shí)采樣并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADC進(jìn)入空閑狀態(tài)，直到下一個(gè)CNVST的上升沿進(jìn)入跟蹤模式。為了完成一次轉(zhuǎn)換，CNVST下降沿和上升沿之間的時(shí)間必須至少為最小轉(zhuǎn)換時(shí)間t12。

五、PCB布局、接地和旁路

為了獲得最佳性能，建議使用帶有接地平面的PCB，并將數(shù)字和模擬信號(hào)線分開(kāi)，避免模擬和數(shù)字線平行布線，特別是時(shí)鐘線，同時(shí)避免在ADC封裝下方布線。將MAX11192/MAX11195/MAX11198的GND引腳連接到接地平面，保持電源的接地返回路徑低阻抗且盡可能短。在AINn+和AINn - 之間靠近ADC處放置1nF C0G陶瓷芯片電容，以減少ADC輸入驅(qū)動(dòng)級(jí)看到的電壓瞬變。將REF1/2輸出通過(guò)16V、10μF陶瓷芯片電容連接到接地平面，確保所有旁路電容通過(guò)獨(dú)立過(guò)孔直接連接到接地平面。

六、總結(jié)

MAX11192/MAX11195/MAX11198系列ADC以其高性能、小封裝和豐富的功能，為電子工程師提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求合理選擇分辨率、配置電壓基準(zhǔn)、優(yōu)化輸入電路和PCB布局，以充分發(fā)揮ADC的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用這款A(yù)DC時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。