MAX170：高速12位串行輸出A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。今天我們要探討的MAX170，就是一款性能出色的12位A/D轉(zhuǎn)換器，它以其高速、高精度和獨(dú)特的串行接口，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

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一、產(chǎn)品概述

MAX170是一款完整的CMOS 12位A/D轉(zhuǎn)換器，采用8引腳DIP或16引腳表面貼裝SO封裝，將高速、精確的性能與節(jié)省成本和空間的串行接口相結(jié)合。它利用高速DAC和精確的比較器，通過(guò)逐次逼近循環(huán)實(shí)現(xiàn)5.6μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間。片上埋入式齊納基準(zhǔn)提供了全溫度范圍內(nèi)的低漂移性能，外部組件僅需電源和基準(zhǔn)去耦電容。

二、主要特點(diǎn)

1. 高分辨率與線性度

具備12位的分辨率和線性度，能夠提供精確的數(shù)字輸出，滿足對(duì)精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

2. 快速轉(zhuǎn)換時(shí)間

僅需5.6μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集，適用于需要快速響應(yīng)的系統(tǒng)。

3. 串行輸出

采用串行輸出方式，減少了引腳數(shù)量，降低了電路板的復(fù)雜度，同時(shí)也方便與其他設(shè)備進(jìn)行接口連接。

4. 自啟動(dòng)模式

支持自啟動(dòng)模式，可使用內(nèi)部生成的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，使轉(zhuǎn)換器連續(xù)工作，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。

5. 低功耗

典型功耗僅為135mW，在保證性能的同時(shí)，降低了能源消耗，適合對(duì)功耗敏感的應(yīng)用。

6. 易于隔離

可以方便地進(jìn)行光耦或變壓器隔離，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，適用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集等需要隔離的場(chǎng)合。

7. 小封裝

提供8引腳DIP和16引腳SO兩種封裝形式，占用空間小，便于在小型化設(shè)備中使用。

三、技術(shù)參數(shù)

1. 電源電壓

工作電源電壓為+5V和 -12V至 -15V，能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境。

2. 輸入電壓范圍

模擬輸入電壓范圍為0至 +5V，可滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。

3. 轉(zhuǎn)換時(shí)間

轉(zhuǎn)換時(shí)間為14個(gè)時(shí)鐘周期，即5.6μs，確保了快速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

4. 時(shí)鐘頻率

時(shí)鐘輸入可以由外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)，最高時(shí)鐘頻率可達(dá)2.5MHz。

5. 精度指標(biāo)

積分非線性（INL）最大為±1 LSB，差分非線性（DNL）保證在整個(gè)溫度范圍內(nèi)單調(diào)，偏移誤差和滿量程誤差也在合理范圍內(nèi)。

四、工作模式

1. 強(qiáng)制啟動(dòng)模式

在強(qiáng)制啟動(dòng)模式下，轉(zhuǎn)換周期由轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)（CONVST/EOC）的上升沿觸發(fā)，該上升沿需與時(shí)鐘信號(hào)的下降沿重合。轉(zhuǎn)換開(kāi)始后，逐次逼近寄存器（SAR）會(huì)設(shè)置最高位（MSB），并將DAC輸出驅(qū)動(dòng)到半量程。模擬輸入與該值進(jìn)行比較，直到第二個(gè)時(shí)鐘下降沿鎖存MSB結(jié)果，并設(shè)置SAR比較下一位。下一次轉(zhuǎn)換可以在前一次轉(zhuǎn)換的第14個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始，實(shí)現(xiàn)最大吞吐量為每14個(gè)時(shí)鐘周期一次轉(zhuǎn)換。

2. 自啟動(dòng)模式

自啟動(dòng)模式下，CONVST/EOC引腳由轉(zhuǎn)換完成信號(hào)通過(guò)一個(gè)典型值為13kΩ的電阻內(nèi)部驅(qū)動(dòng)。時(shí)鐘速率受CONVST/EOC引腳電容負(fù)載的限制，假設(shè)負(fù)載電容為25pF，最大時(shí)鐘頻率可達(dá)1MHz。在這種模式下，轉(zhuǎn)換器可以連續(xù)運(yùn)行，并以一定的速率進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

五、應(yīng)用電路

1. 單極性輸入操作

在單極性輸入操作中，需要先調(diào)整偏移量。將1/2 LSB（0.61mV）施加到模擬輸入，并調(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，將FS - 3/2 LSB（4.9817V）施加到模擬輸入，并調(diào)整電阻R1，直到輸出代碼在1111 1111 1110和1111 1111 1111之間變化。

2. 雙極性輸入操作

雙極性操作分為非反相和反相兩種模式。在非反相模式下，輸出編碼為偏移二進(jìn)制；在反相模式下，輸出編碼為互補(bǔ)偏移二進(jìn)制。對(duì)于雙極性應(yīng)用，需要使用相同類型和制造商的電阻，以獲得低溫度漂移。建議使用0.1%的電阻進(jìn)行偏移和滿量程調(diào)整，以確保精度。

3. 與采樣保持放大器的接口

為了保證12位的精度，MAX170的模擬輸入在整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中必須穩(wěn)定在±1/2 LSB以內(nèi)。對(duì)于高帶寬信號(hào)，需要使用采樣保持放大器?？梢允褂脝?dòng)MAX170轉(zhuǎn)換的信號(hào)來(lái)提供采樣放大器的TRACK/HOLD信號(hào)，通過(guò)門(mén)延遲稍微延遲MAX170的啟動(dòng)，以避免代碼相關(guān)誤差。采樣保持放大器的最大允許保持建立時(shí)間為600ns。

六、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1. 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（PCB）來(lái)設(shè)計(jì)MAX170的電路。避免使用繞線板，因?yàn)槔@線板可能會(huì)引入噪聲和干擾。在PCB布局中，應(yīng)確保數(shù)字和模擬信號(hào)線分開(kāi)，以減少相互干擾。

2. 接地

建立一個(gè)單點(diǎn)模擬STAR接地，將所有接地連接到MAX170的引腳4（GND）。接地電阻應(yīng)盡可能低，以確保無(wú)噪聲運(yùn)行。

3. 電源旁路

MAX170中的高速比較器對(duì)電源電壓敏感，因此需要使用0.1μF和10μF的旁路電容，以最小化電源噪聲。如果+5V電源噪聲較大，可以連接一個(gè)10 - 20Ω的小電阻來(lái)過(guò)濾外部噪聲。

4. 內(nèi)部基準(zhǔn)

MAX170的片上基準(zhǔn)采用緩沖和溫度補(bǔ)償?shù)穆袢胧烬R納二極管，為了保持基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性，應(yīng)在VREF引腳和電容之間不使用串聯(lián)電阻，并且電容值不得小于4.7μF。

5. 模擬輸入驅(qū)動(dòng)

AIN引腳的輸入阻抗典型值為2.5kΩ，驅(qū)動(dòng)AIN的放大器必須具有足夠低的直流輸出阻抗，以減少增益誤差。同時(shí)，由于模擬輸入電流在時(shí)鐘速率下會(huì)發(fā)生調(diào)制，放大器還需要具有低交流輸出阻抗。

七、總結(jié)

MAX170作為一款高性能的12位A/D轉(zhuǎn)換器，具有高速、高精度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，適用于電信、數(shù)字信號(hào)處理、聲納/雷達(dá)信號(hào)處理、隔離工業(yè)數(shù)據(jù)采集等多種應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要注意物理布局、接地、電源旁路、內(nèi)部基準(zhǔn)和模擬輸入驅(qū)動(dòng)等方面的問(wèn)題，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。你在使用MAX170的過(guò)程中遇到過(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。