MAX5158/MAX5159：低功耗雙10位電壓輸出DAC的深度剖析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）扮演著至關(guān)重要的角色，它將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。今天，我們就來深入探討一下MAXIM公司推出的低功耗雙10位電壓輸出DAC——MAX5158/MAX5159。

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一、產(chǎn)品概述

MAX5158/MAX5159是低功耗、串行、電壓輸出的雙10位數(shù)字 - 模擬轉(zhuǎn)換器。MAX5158采用單 +5V 電源供電，而MAX5159則使用 +3V 電源，它們的靜態(tài)電流僅為500μA，在關(guān)機(jī)模式下更是低至2μA，非常適合對功耗要求較高的應(yīng)用場景。這兩款器件具有Rail - to - Rail輸出擺幅，采用節(jié)省空間的16引腳QSOP封裝，并且其DAC輸出放大器內(nèi)部增益配置為 +2V/V，可最大化動態(tài)范圍。

二、關(guān)鍵特性

2.1 高精度與高性能

• 分辨率：10位分辨率，能夠提供較為精確的模擬輸出。
• 線性度：積分非線性（INL）和微分非線性（DNL）均為 ±1 LSB，保證了輸出的線性度和單調(diào)性。
• 建立時間：輸出建立時間僅為8μs，能夠快速響應(yīng)輸入信號的變化。

2.2 低功耗設(shè)計

• 正常工作電流：僅500μA，有效降低了系統(tǒng)的功耗。
• 關(guān)機(jī)模式電流：可低至2μA，在不工作時大大節(jié)省了能源。

2.3 兼容性強(qiáng)

3線串行接口與SPI?/QSPI?和Microwire?兼容，方便與各種微控制器和其他數(shù)字設(shè)備進(jìn)行連接。

2.4 豐富的功能特性

• 可編程關(guān)機(jī)：支持2μA的可編程關(guān)機(jī)模式，并且具有硬件關(guān)機(jī)鎖定功能。
• 獨(dú)立參考電壓輸入：每個DAC都有獨(dú)立的參考電壓輸入，可接受AC和DC信號。
• 清零輸入：有源低電平清零輸入（CL）可將所有寄存器和DAC復(fù)位為零。
• 可編程邏輯引腳：提供可編程邏輯引腳，增加了額外的功能。
• 串行數(shù)據(jù)輸出引腳：支持菊花鏈連接，方便擴(kuò)展系統(tǒng)。

三、電氣特性

3.1 MAX5158電氣特性

在 +5V 電源供電，參考電壓 (V{REFA }=V{REFB }=2.048V)，負(fù)載 (R{L}=10kΩ)，電容 (C{L}=100pF) 的條件下：

• 靜態(tài)性能：分辨率為10位，INL和DNL為 ±1 LSB，偏移誤差 (V{OS}) 為 ±6 mV，增益誤差在 -0.1 到1 LSB之間。
• 參考輸入：參考輸入范圍為0到 (V_{DD}-1.4V)，參考輸入電阻為18 - 25 kΩ。
• 動態(tài)性能：電壓輸出壓擺率為0.75 V/μs，輸出建立時間為8μs，輸出電壓擺幅為0到 (V_{DD})。

3.2 MAX5159電氣特性

在 +2.7V 到 +3.6V 電源供電，參考電壓 (V{REFA }=V{REFB }=1.25V)，負(fù)載 (R{L}=10kΩ)，電容 (C{L}=100pF) 的條件下：

• 靜態(tài)性能：分辨率同樣為10位，INL和DNL為 ±1 LSB，偏移誤差 (V_{OS}) 為 ±6 mV，增益誤差在 -0.1 到 ±1 LSB之間。
• 參考輸入：參考輸入范圍為0到 (V_{DD}-1.4V)，參考輸入電阻為18 - 25 kΩ。
• 動態(tài)性能：電壓輸出壓擺率為0.75 V/μs，輸出建立時間為8μs，輸出電壓擺幅為0到 (V_{DD})。

四、典型應(yīng)用

4.1 數(shù)字偏移和增益調(diào)整

利用其高精度和可編程特性，可以對系統(tǒng)的偏移和增益進(jìn)行精確調(diào)整，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

4.2 μP - 控制系統(tǒng)

與微處理器配合使用，實(shí)現(xiàn)對模擬信號的精確控制，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、儀器儀表等領(lǐng)域。

4.3 運(yùn)動控制

在運(yùn)動控制系統(tǒng)中，為電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供精確的模擬控制信號，確保運(yùn)動的精度和穩(wěn)定性。

4.4 遠(yuǎn)程工業(yè)控制

通過串行接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對工業(yè)設(shè)備的控制，減少布線成本，提高系統(tǒng)的可靠性。

五、詳細(xì)設(shè)計要點(diǎn)

5.1 參考輸入

參考輸入可接受AC和DC值，電壓范圍為0V到 ((V{DD}-1.4V))。輸出電壓可通過公式 (V{OUT }=left(V{REF } × NB / 1024right) × 2) 計算，其中NB是DAC二進(jìn)制輸入代碼的數(shù)值，(V{REF}) 是參考電壓。參考輸入阻抗范圍為18kΩ到數(shù)GΩ，電容與輸入代碼有關(guān)。

5.2 輸出放大器

輸出放大器內(nèi)部電阻提供 +2V/V 的增益，當(dāng) (OS{-}) 連接到AGND時，可通過調(diào)整 (OS{-}) 引腳產(chǎn)生可調(diào)的偏移電壓。輸出放大器的典型壓擺率為0.75V/μs，在8μs內(nèi)可穩(wěn)定到1/2LSB。

5.3 電源管理

具有軟件可編程關(guān)機(jī)模式，可將典型電源電流降低到2μA。關(guān)機(jī)時，參考輸入和放大器輸出變?yōu)楦咦杩?，串行接口保持活躍。退出關(guān)機(jī)模式時，需等待20μs使輸出穩(wěn)定。

5.4 串行接口

3線串行接口與Microwire和SPI/QSPI標(biāo)準(zhǔn)兼容，16位串行輸入字由地址位、控制位、數(shù)據(jù)位和子位組成。通過地址和控制位可實(shí)現(xiàn)對寄存器的更新和設(shè)備狀態(tài)的控制。

5.5 串行數(shù)據(jù)輸出

DOUT引腳可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的菊花鏈連接和數(shù)據(jù)回讀，可編程為在SCLK的下降沿（模式0）或上升沿（模式1）移出數(shù)據(jù)。

5.6 用戶可編程邏輯輸出（UPO）

UPO可通過串行接口控制外部設(shè)備，減少微控制器I/O引腳的使用。上電時，UPO為低電平。

5.7 電源 - 關(guān)斷鎖定輸入（PDL）

PDL引腳低電平時可禁用軟件關(guān)機(jī)，在關(guān)機(jī)狀態(tài)下，將PDL從高電平變?yōu)榈碗娖娇蓡拘言O(shè)備。

六、應(yīng)用電路設(shè)計

6.1 單極性輸出

通過適當(dāng)?shù)呐渲茫琈AX5158可在2.048V參考電壓下產(chǎn)生0V到4.096V的輸出，MAX5159在1.25V參考電壓下可產(chǎn)生0V到2.5V的輸出。通過連接電壓到 (OS_{-}) 引腳可實(shí)現(xiàn)輸出偏移。

6.2 雙極性輸出

可配置為雙極性輸出，輸出電壓由公式 (V{OUT }=V{REF }[((2 × N B) / 1024)-1]) 計算，其中NB是DAC二進(jìn)制輸入代碼的數(shù)值。

6.3 交流參考輸入

在參考信號包含AC分量的應(yīng)用中，MAX5158/MAX5159在參考輸入電壓范圍內(nèi)具有乘法能力，可通過適當(dāng)?shù)碾娐穼⒄逸斎霊?yīng)用到參考輸入。

6.4 數(shù)字校準(zhǔn)和閾值選擇

在數(shù)字校準(zhǔn)應(yīng)用中，可通過光照強(qiáng)度的變化對DAC進(jìn)行校準(zhǔn)，適用于轉(zhuǎn)速計、運(yùn)動傳感、自動讀取器和液體清晰度分析等應(yīng)用。

6.5 數(shù)字控制增益和偏移

兩個DAC可用于控制偏移和增益，以擬合非線性函數(shù)，如傳感器線性化或模擬壓縮/擴(kuò)展應(yīng)用。

七、設(shè)計注意事項(xiàng)

7.1 電源考慮

上電時，輸入和DAC寄存器清零。為保證額定性能，(V{REF}) 應(yīng)至少比 (V_{DD}) 低1.4V。電源應(yīng)使用4.7μF電容和0.1μF電容并聯(lián)旁路到AGND，并盡量減小引線長度以降低引線電感。

7.2 接地和布局考慮

AGND上的數(shù)字和AC瞬態(tài)信號可能會在輸出端產(chǎn)生噪聲，應(yīng)將AGND連接到高質(zhì)量的接地。采用多層板和低電感接地平面等適當(dāng)?shù)慕拥丶夹g(shù)，仔細(xì)布局通道之間的走線，以減少AC交叉耦合和串?dāng)_。不建議使用繞線板和插座，如有噪聲問題，可能需要進(jìn)行屏蔽。

MAX5158/MAX5159以其低功耗、高精度、豐富的功能和良好的兼容性，為電子工程師在各種應(yīng)用場景中提供了一個優(yōu)秀的數(shù)模轉(zhuǎn)換解決方案。在實(shí)際設(shè)計中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇器件參數(shù)和設(shè)計電路，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。