MAX1193：超低功耗、45Msps 雙 8 位 ADC 的卓越之選

在電子設(shè)計領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們來深入了解一款優(yōu)秀的 ADC 產(chǎn)品——MAX1193，它由 MAXIM 公司推出，具有超低功耗、高性能等諸多優(yōu)點，適用于多種應(yīng)用場景。

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產(chǎn)品概述

MAX1193 是一款超低功耗、雙路、8 位、45Msps 的 ADC。它具備兩個全差分寬帶跟蹤保持（T/H）輸入，輸入帶寬高達 440MHz，可接受全差分或單端信號。在輸入頻率為 5.5MHz、采樣率為 45Msps 的條件下，典型的信噪失真比（SINAD）可達 48.5dB，而功耗僅為 57mW。該 ADC 的模擬電源電壓范圍為 2.7V 至 3.6V，數(shù)字輸出驅(qū)動器則由 1.8V 至 3.6V 的獨立電源供電。此外，MAX1193 還具有三種掉電模式，可在空閑期間節(jié)省功耗。其出色的動態(tài)性能、超低功耗和小巧的尺寸，使其非常適合成像、儀器儀表和數(shù)字通信等應(yīng)用。

關(guān)鍵特性

超低功耗

• 正常工作模式：在 45Msps 的采樣率下，功耗僅為 57mW。
• 關(guān)機模式：功耗低至 0.3μW，能有效節(jié)省能源。

卓越的動態(tài)性能

• 信噪比（SNR）：在輸入頻率 (f{IN}=5.5 MHz) 時，SNR 為 48.5dB；在 (f{IN}=100 MHz) 時，SNR 為 48.3dB。
• 無雜散動態(tài)范圍（SFDR）：在 (f{IN}=5.5 MHz) 時，SFDR 為 70dBc；在 (f{IN}=100 MHz) 時，SFDR 為 68dBc。

靈活的電源和輸入配置

• 電源：2.7V 至 3.6V 的單模擬電源，1.8V 至 3.6V 的 TTL/CMOS 兼容數(shù)字輸出。
• 輸入：全差分或單端模擬輸入，滿足不同應(yīng)用需求。

參考選項

提供內(nèi)部/外部參考選項，可根據(jù)應(yīng)用的精度要求靈活選擇。

輸出特性

采用復(fù)用的 CMOS 兼容三態(tài)輸出，數(shù)字輸出格式為偏移二進制。

封裝和評估套件

采用 5mm × 5mm、28 引腳的薄型 QFN 封裝，尺寸小巧。同時，還提供評估套件（MAX1193EVKIT），方便工程師進行測試和開發(fā)。

電氣特性

直流精度

• 分辨率：8 位。
• 積分非線性（INL）：±0.16 至 ±1.00 LSB。
• 差分非線性（DNL）：在整個溫度范圍內(nèi)無丟失碼，±0.15 至 ±1.00 LSB。
• 偏移誤差：在不同溫度下有相應(yīng)的誤差范圍。
• 增益誤差：排除 REFP - REFN 誤差后，為 ±2 %FS。
• 直流增益匹配：±0.01 至 ±0.2 dB。
• 增益溫度系數(shù)：±30 ppm/°C。
• 電源抑制比：在電源電壓 ±5% 變化時，偏移和增益的變化在一定范圍內(nèi)。

模擬輸入

• 差分輸入電壓范圍：±0.512 V。
• 共模輸入電壓范圍：VDD / 2 V。
• 輸入電阻：120 kΩ。
• 輸入電容：5 pF。

轉(zhuǎn)換速率

最大時鐘頻率為 45 MHz，通道 A 和通道 B 的數(shù)據(jù)延遲分別為 5.0 和 5.5 個時鐘周期。

動態(tài)特性

包括 SNR、SINAD、SFDR、HD3、THD 等指標，在不同輸入頻率下表現(xiàn)出色。

內(nèi)部參考

內(nèi)部參考輸出電壓穩(wěn)定，具有一定的溫度系數(shù)和源/吸收電流能力。

數(shù)字輸入和輸出

數(shù)字輸入有相應(yīng)的高低閾值和滯后，數(shù)字輸出有電壓高低和三態(tài)泄漏電流等特性。

電源要求

模擬電源電壓范圍為 2.7V 至 3.6V，數(shù)字輸出電源電壓為 1.8V 至 VDD。

定時特性

包括時鐘上升/下降到輸出數(shù)據(jù)有效時間、輸出使能/禁用時間、時鐘占空比和喚醒時間等。

通道間特性

串擾抑制、幅度匹配和相位匹配等指標良好。

典型工作特性

通過一系列圖表展示了 SNR、SINAD、THD、SFDR 等指標與模擬輸入頻率、模擬輸入功率、采樣率、時鐘占空比等因素的關(guān)系，為工程師在不同工作條件下的設(shè)計提供了參考。

引腳描述

詳細介紹了每個引腳的功能，包括模擬輸入引腳、時鐘輸入引腳、電源引腳、數(shù)字輸出引腳等，工程師在進行電路設(shè)計時可根據(jù)引腳功能進行合理連接。

詳細工作原理

管道架構(gòu)

MAX1193 采用七級全差分管道架構(gòu)，每半個時鐘周期，輸入樣本在管道階段逐步移動。經(jīng)過輸出鎖存器的延遲后，通道 A 的總時鐘周期延遲為 5 個時鐘周期，通道 B 為 5.5 個時鐘周期。在每個階段，閃存 ADC 將保持的輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼，DAC 將數(shù)字化結(jié)果轉(zhuǎn)換回模擬電壓，與原始輸入信號相減，誤差信號乘以 2 后傳遞到下一階段，數(shù)字誤差校正可補償 ADC 比較器偏移，確保無丟失碼。

輸入跟蹤保持（T/H）電路

在跟蹤模式下，通過一系列開關(guān)操作，將輸入信號采樣到電容上，放大器將電容充電到相同值，然后將這些值提供給第一級量化器，隔離管道與快速變化的輸入。輸入 T/H 放大器具有寬輸入帶寬，可跟蹤和采樣/保持高頻模擬輸入。

模擬輸入和參考配置

MAX1193 的滿量程模擬輸入范圍為 ±VREF，共模輸入范圍為 VDD/2 ±0.2V。提供三種參考操作模式：

• 內(nèi)部參考模式：REFIN 連接到 VDD 或不連接，VREF 內(nèi)部生成，COM、REFP 和 REFN 為低阻抗輸出。
• 緩沖外部參考模式：REFIN 施加 1.024V ±10% 的參考電壓，VREF 內(nèi)部生成，各引腳需進行相應(yīng)的旁路電容連接。
• 無緩沖外部參考模式：REFIN 連接到 GND，REFP、REFN 和 COM 由外部參考源驅(qū)動。

時鐘輸入

CLK 接受 CMOS 兼容信號電平，時鐘抖動對 SNR 性能有影響，尤其是在欠采樣應(yīng)用中。時鐘輸入應(yīng)作為模擬輸入處理，遠離其他模擬輸入或數(shù)字信號線，且時鐘占空比為 50% ±10%。

系統(tǒng)定時要求

時鐘上升沿同時采樣通道 A 和通道 B，輸出數(shù)據(jù)進行復(fù)用。通道 A 數(shù)據(jù)在時鐘上升沿更新，通道 B 數(shù)據(jù)在時鐘下降沿更新，A/B 指示器跟隨時鐘有一定延遲。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)采用偏移二進制編碼，為避免影響動態(tài)性能，數(shù)字輸出的電容負載應(yīng)盡量低。

電源模式

MAX1193 有四種電源模式，由 PD0 和 PD1 控制：

• 關(guān)機模式：關(guān)閉所有模擬部分，輸出為三態(tài)，喚醒時間取決于充電電容，通常為 20μs。
• 待機模式：參考和時鐘分配電路供電，管道 ADC 未供電，輸出為三態(tài)，喚醒時間為 2.6μs。
• 空閑模式：管道 ADC、參考和時鐘分配電路供電，輸出為三態(tài)，喚醒時間為 5ns。
• 正常工作模式：所有部分均供電。

應(yīng)用信息

輸入驅(qū)動電路

• 直流耦合差分輸入驅(qū)動：適用于 RF 正交解調(diào)器與高速 ADC 之間的模擬接口，可提供所需的 SINAD 和 SFDR，RISO 用于隔離運算放大器輸出與 ADC 電容輸入，CIN 用于過濾高頻噪聲。
• 變壓器耦合輸入驅(qū)動：RF 變壓器可將單端源信號轉(zhuǎn)換為全差分信號，中心抽頭連接到 COM 可提供 VDD/2 的直流電平偏移，可選擇升壓變壓器以降低驅(qū)動要求。
• 單端交流耦合輸入信號：使用如 MAX4108 等放大器可保持輸入信號的完整性。

參考驅(qū)動

• 緩沖外部參考驅(qū)動多個 ADC：可實現(xiàn)對參考電壓的更多控制，一個參考電路可輕松驅(qū)動多個轉(zhuǎn)換器的 REFIN。
• 無緩沖外部參考驅(qū)動多個 ADC：可精確控制參考，多個轉(zhuǎn)換器可使用公共參考，通過外部參考源直接驅(qū)動 REFP、REFN 和 COM。

典型 QAM 解調(diào)應(yīng)用

在數(shù)字通信中，QAM 信號在發(fā)射端通過調(diào)制基帶信號和上變頻生成，在接收端使用 MAX1193 雙匹配 3V、8 位 ADC 和 MAX2451 正交解調(diào)器進行解調(diào)，混合后的信號可通過匹配的模擬濾波器過濾，以提高 SNR 性能和減少符號間干擾。

接地、旁路和電路板布局

MAX1193 需要高速電路板布局設(shè)計技術(shù)，旁路電容應(yīng)盡量靠近器件，使用表面貼裝器件以降低電感。多層電路板采用分離的接地和電源平面可提高信號完整性，模擬地和數(shù)字輸出驅(qū)動器地應(yīng)分開，通過單點連接，連接點可通過實驗確定。高速數(shù)字信號跡線應(yīng)遠離敏感模擬跡線，模擬輸入線應(yīng)隔離以減少通道間串擾，信號線應(yīng)短且避免 90°轉(zhuǎn)彎。

參數(shù)定義

靜態(tài)參數(shù)

• 積分非線性（INL）：實際傳輸函數(shù)值與直線的偏差。
• 差分非線性（DNL）：實際步長與理想 1LSB 值的差異。
• 偏移誤差：測量的轉(zhuǎn)換點與理想轉(zhuǎn)換點的偏差。
• 增益誤差：去除偏移誤差后，測量的轉(zhuǎn)換點與理想轉(zhuǎn)換點的偏差。

動態(tài)參數(shù)

• 孔徑抖動：采樣延遲的樣本間變化。
• 孔徑延遲：采樣時鐘上升沿與實際采樣時刻之間的時間。
• 信噪比（SNR）：RMS 信號與 RMS 噪聲的比值。
• 信噪失真比（SINAD）：RMS 信號與 RMS 噪聲的比值，噪聲包括除基波和直流偏移外的所有頻譜分量。
• 有效位數(shù)（ENOB）：指定 ADC 在特定輸入頻率和采樣率下的動態(tài)性能。
• 總諧波失真（THD）：輸入信號前五次諧波的 RMS 總和與基波的比值。
• 三次諧波失真（HD3）：三次諧波分量的 RMS 值與基波輸入信號的比值。
• 無雜散動態(tài)范圍（SFDR）：基波（最大信號分量）的 RMS 幅度與下一個最大雜散分量的 RMS 值的比值。
• 互調(diào)失真（IMD）：兩個輸入音調(diào)存在時，互調(diào)產(chǎn)物的總功率與總輸入功率的比值。
• 三階互調(diào)（IM3）：兩個輸入音調(diào)存在時，最差三階互調(diào)產(chǎn)物的功率與任一輸入音調(diào)輸入功率的比值。
• 電源抑制：電源電壓 ±5% 變化時，偏移和增益誤差的變化。
• 小信號帶寬：小 -20dB FS 模擬輸入信號下，數(shù)字化轉(zhuǎn)換結(jié)果幅度下降 -3dB 時的輸入頻率。
• 全功率帶寬：大 -0.5dB FS 模擬輸入信號下，數(shù)字化轉(zhuǎn)換結(jié)果幅度下降 -3dB 時的輸入頻率。

芯片和封裝信息

MAX1193 的晶體管數(shù)量為 7925，采用 CMOS 工藝。封裝為 5mm × 5mm、28 引腳的薄型 QFN 封裝，文檔中提供了詳細的封裝尺寸和相關(guān)說明。

綜上所述，MAX1193 是一款性能卓越、功能豐富的 ADC 產(chǎn)品，在電子設(shè)計中具有廣泛的應(yīng)用前景。工程師在使用時，可根據(jù)具體的應(yīng)用需求，結(jié)合其特性和參數(shù)進行合理設(shè)計，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。你在實際設(shè)計中是否遇到過類似 ADC 的應(yīng)用難題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。