雙路電流輸出16/14位DAC AD5545/AD5555：技術(shù)剖析與應(yīng)用指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）是連接數(shù)字世界和模擬世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們要深入探討的是Analog Devices公司的AD5545/AD5555，這是兩款高性能的雙路電流輸出、串行輸入16/14位DAC，它們?cè)诒姸鄳?yīng)用場(chǎng)景中都展現(xiàn)出了卓越的性能。

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一、產(chǎn)品概述

AD5545和AD5555分別具有16位和14位的分辨率，工作在4.5V至5.5V的電源范圍內(nèi)。它們需要一個(gè)外部參考來(lái)確定滿量程輸出電流，內(nèi)部反饋電阻（ (R_{FB}) ）與外部運(yùn)算放大器結(jié)合，可增強(qiáng)電阻和溫度跟蹤性能，完成電流到電壓的轉(zhuǎn)換。其串行數(shù)據(jù)接口采用3線制，與微控制器兼容，還具備額外的LDAC功能，可實(shí)現(xiàn)雙通道的同時(shí)更新。此外，內(nèi)部復(fù)位邏輯允許在電源開啟時(shí)預(yù)設(shè)或動(dòng)態(tài)復(fù)位到零或中值，具體取決于MSB引腳的狀態(tài)。

二、產(chǎn)品特性

高精度性能

• 分辨率：AD5545為16位分辨率，AD5555為14位分辨率。當(dāng) (V_{REF}=10V) 時(shí)，AD5545的1 LSB對(duì)應(yīng)153μV，AD5555的1 LSB對(duì)應(yīng)610μV。
• 線性度：具有±1 LSB的DNL單調(diào)性和±1 LSB的INL，確保了輸出的高精度和線性度。
• 滿量程電流：在 (V_{REF}=10V) 時(shí)，滿量程電流為2mA ±20%。

高速響應(yīng)

• 建立時(shí)間：僅需0.5μs的建立時(shí)間，能夠快速響應(yīng)輸入信號(hào)的變化。
• 參考輸入帶寬：2Q乘法參考輸入具有6.9MHz的帶寬，可處理高頻信號(hào)。

靈活的功能

• 上電預(yù)設(shè)和動(dòng)態(tài)復(fù)位：支持零或中值的上電預(yù)設(shè)和動(dòng)態(tài)復(fù)位，方便系統(tǒng)初始化和故障恢復(fù)。
• 3線接口：簡(jiǎn)單的3線接口設(shè)計(jì)，便于與微控制器連接，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。
• 緊湊封裝：采用16引腳的TSSOP封裝，節(jié)省了電路板空間。

三、電氣特性

靜態(tài)性能

• 分辨率：AD5545為16位，AD5555為14位。
• 相對(duì)精度：AD5545B的INL為±2 LSB，AD5555C和AD5545C的INL為±1 LSB。
• 差分非線性：DNL單調(diào)，誤差為±1 LSB。
• 輸出泄漏電流：在數(shù)據(jù)為0x0000時(shí)，25°C下為10nA，最大溫度下為20nA。
• 滿量程增益誤差：數(shù)據(jù)為滿量程時(shí)，誤差為±1至±4mV。
• 滿量程溫度系數(shù)：為1ppm/°C。

參考輸入

• 參考電壓范圍：為 -12V至+12V。
• 輸入電阻：為5kΩ。
• 輸入電容：為5pF。

模擬輸出

• 輸出電流：數(shù)據(jù)為滿量程時(shí)，輸出電流為2mA。
• 輸出電容：與代碼相關(guān)，最大為200pF。

邏輯輸入和輸出

• 邏輯輸入低電壓：為0.8V。
• 邏輯輸入高電壓：為2.4V。
• 輸入泄漏電流：為10μA。
• 輸入電容：為10pF。

接口時(shí)序

• 時(shí)鐘輸入頻率：最大為50MHz。
• 時(shí)鐘寬度高：為50ns。
• 時(shí)鐘寬度低：為10ns。
• CS到時(shí)鐘建立時(shí)間：為0ns。
• 時(shí)鐘到CS保持時(shí)間：為10ns。
• 數(shù)據(jù)建立時(shí)間：為5ns。
• 數(shù)據(jù)保持時(shí)間：為10ns。
• LDAC建立時(shí)間：為5ns。
• LDAC保持時(shí)間：為10ns。
• LDAC寬度：為10ns。

電源特性

• 電源范圍：為4.5V至5.5V。
• 正電源電流：邏輯輸入為0V時(shí)，為10μA。
• 功耗：邏輯輸入為0V時(shí)，為0.055mW。
• 電源靈敏度：(Delta V_{DD}=±5%) 時(shí)，為0.006%/%。

交流特性

• 輸出電壓建立時(shí)間：達(dá)到±0.1%滿量程，數(shù)據(jù)從零量程到滿量程再到零量程的建立時(shí)間為0.5μs。
• 參考乘法帶寬：為6.9MHz。
• 饋通誤差：數(shù)據(jù)為零量程， (V_{REF}=100mV rms) ，f = 1kHz時(shí)，為 -81dB。
• 數(shù)字饋通：CS為邏輯高且 (f_{CLK}=1MHz) 時(shí)，為7nV - s。
• 總諧波失真： (V_{REF}=5V p - p) ，數(shù)據(jù)為滿量程，f = 1kHz至10kHz時(shí)，為 -104dB。
• 模擬串?dāng)_： (V{REFB}=0V) ，測(cè)量 (V{OUTB}) ， (V_{REFA}=5V p - p) 正弦波，數(shù)據(jù)為滿量程，f = 1kHz至10kHz時(shí)，為 -95dB。
• 輸出點(diǎn)噪聲電壓：f = 1kHz，BW = 1Hz時(shí)，為12nV/√Hz。

四、工作原理

數(shù)模轉(zhuǎn)換

AD5545/AD5555采用電流舵型R - 2R梯形設(shè)計(jì)，DAC內(nèi)部包含一個(gè)匹配的反饋電阻，用于與外部I - V轉(zhuǎn)換器放大器配合使用。 (R{FB}) 引腳連接到外部放大器的輸出， (I{OUT}) 端子連接到外部放大器的反相輸入。DAC可使用負(fù)或正參考電壓， (V{DD}) 電源引腳僅用于驅(qū)動(dòng)DAC開關(guān)。DAC的輸出電壓由 (V{REF}) 輸入電壓和加載到相應(yīng)DAC寄存器的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（D）決定，計(jì)算公式如下：

• AD5545： (V{OUT}=-V{REF} × D / 65,536)
• AD5555： (V{OUT}=-V{REF} × D / 16,384)

串行數(shù)據(jù)接口

AD5545/AD5555使用最少3線（ (overline{CS}) 、SDI、CLK）的串行數(shù)據(jù)接口進(jìn)行單通道更新操作。以AD5545為例，用戶可以將 (LDAC) 置低， (overline{RS}) 置高，然后將 (overline{CS}) 置低18位時(shí)長(zhǎng)，新的串行數(shù)據(jù)以18位數(shù)據(jù)字格式在CLK的上升沿時(shí)鐘輸入到串行輸入寄存器，MSB位首先加載。當(dāng) (overline{CS}) 引腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，只有最后18位數(shù)據(jù)被傳輸?shù)紻AC寄存器并更新輸出。如果微控制器輸出的串行數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與AD5545不同，如8位字節(jié)，可以將三個(gè)右對(duì)齊的數(shù)據(jù)字節(jié)寫入AD5545，AD5545會(huì)忽略前六位MSB，將后18位LSB識(shí)別為有效數(shù)據(jù)。若要分別編程每個(gè)通道并同時(shí)更新，可先將 (LDAC) 和 (overline{RS}) 置高，依次對(duì)DAC A和DAC B進(jìn)行編程，最后將 (LDAC) 置低再置高，即可同時(shí)更新兩個(gè)通道的輸出。

五、應(yīng)用信息

穩(wěn)定性

在I - V配置中，DAC的 (I_{OUT}) 和運(yùn)算放大器的反相節(jié)點(diǎn)必須盡可能靠近連接，并采用適當(dāng)?shù)?a href="http://m.sdkjxy.cn/v/tag/82/" target="_blank">PCB布局技術(shù)。由于每次代碼變化對(duì)應(yīng)一個(gè)階躍函數(shù)，如果運(yùn)算放大器的增益帶寬積（GBP）有限，且反相節(jié)點(diǎn)存在過(guò)多寄生電容，可能會(huì)出現(xiàn)增益峰值?？商砑右粋€(gè)可選的補(bǔ)償電容C1來(lái)提高穩(wěn)定性，一般6pF的電容通常足以滿足補(bǔ)償需求。

雙極性輸出

AD5545/AD5555本質(zhì)上是一個(gè)2象限乘法DAC，可輕松設(shè)置為單極性輸出操作。在某些應(yīng)用中，可能需要實(shí)現(xiàn)全4象限乘法能力或雙極性輸出擺幅，可通過(guò)使用一個(gè)額外的外部放大器U4配置為求和放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。該電路中，第二個(gè)放大器U4提供2倍的增益，將輸出跨度幅度增加到5V。通過(guò)將外部放大器偏置為參考電壓的2.5V偏移，可實(shí)現(xiàn)全4象限乘法電路。其傳輸方程如下：

• AD5545： (V{OUT}=(D / 32,768 - 1)× V{REF})
• AD5555： (V{OUT}=(D / 8192 - 1) × V{REF})

可編程電流源

圖23展示了一個(gè)使用改進(jìn)的Howland電流泵的多功能V - I轉(zhuǎn)換電路，該電路不僅能提供精確的電流轉(zhuǎn)換，還能實(shí)現(xiàn)雙向電流流動(dòng)和高電壓合規(guī)性，可用于4mA至20mA的電流變送器，負(fù)載可達(dá)500Ω。如果電阻網(wǎng)絡(luò)匹配，負(fù)載電流計(jì)算公式為： (I{L}=frac{frac{(R 2 + R 3)}{R 1}}{R 3} × V{REF} × D) 。為防止振蕩，需要添加補(bǔ)償電容C1，對(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用，C1的值可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)確定，通常在幾皮法的范圍內(nèi)。

可編程輸入?yún)⒖挤秶腄AC

由于高電壓參考可能成本較高，用戶可以考慮使用其中一個(gè)DAC、一個(gè)數(shù)字電位器和一個(gè)低電壓參考來(lái)形成一個(gè)具有可編程輸入?yún)⒖挤秶膯瓮ǖ繢AC。這種方法可以優(yōu)化可編程范圍，并通過(guò)軟件更改方便未來(lái)系統(tǒng)升級(jí)。通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算，可以得到參考電壓 (V{REFAB}) 的表達(dá)式，進(jìn)而確定DAC B的輸出電壓 (V{OB}) 。同時(shí)，為了保證 (V_{REFAB}) 的準(zhǔn)確性，使用數(shù)字電位器U4，因?yàn)槠渚哂泄逃械碾娮杵ヅ涮匦浴?/p>

參考選擇

在為AD55xx系列電流輸出DAC選擇參考時(shí)，需要關(guān)注參考的輸出電壓和溫度系數(shù)規(guī)格。選擇具有低輸出溫度系數(shù)的精密參考可以最小化誤差源。表10列出了一些適合與該系列DAC配合使用的Analog Devices公司的參考產(chǎn)品。

放大器選擇

電流舵模式對(duì)放大器的主要要求是低輸入偏置電流和低輸入失調(diào)電壓。由于DAC的輸出電阻與代碼相關(guān)，運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓會(huì)被電路的可變?cè)鲆娣糯螅瑥亩鴮?dǎo)致輸出電壓的階躍變化，產(chǎn)生差分線性誤差。運(yùn)算放大器的輸入偏置電流也會(huì)在反饋電阻 (R{FB}) 中產(chǎn)生電壓偏移。此外，運(yùn)算放大器的共模抑制在電壓切換電路中很重要，因?yàn)樗鼤?huì)在電路的電壓輸出端產(chǎn)生與代碼相關(guān)的誤差。為了獲得最小的建立時(shí)間，應(yīng)盡量減小DAC的 (V{REF}) 節(jié)點(diǎn)（即該應(yīng)用中的電壓輸出節(jié)點(diǎn)）的電容，可通過(guò)使用低輸入電容的緩沖放大器和精心設(shè)計(jì)電路板來(lái)實(shí)現(xiàn)。表11和表12列出了Analog Devices公司提供的適用于精密直流和交流應(yīng)用的各種放大器。

六、評(píng)估板

評(píng)估板概述

EVAL - AD5545SDZ評(píng)估板需與Analog Devices公司單獨(dú)出售的SDP1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)板配合使用，通過(guò)基于Blackfin?的演示板完成與AD5545的USB - SPI通信。

系統(tǒng)演示平臺(tái)

系統(tǒng)演示平臺(tái)（SDP）是一個(gè)用于產(chǎn)品評(píng)估板的硬件和軟件評(píng)估工具，基于Blackfin ADSP - BF527處理器，通過(guò)USB 2.0高速端口與PC連接。

評(píng)估板操作

評(píng)估板需要±12V和+5V電源，+12V (V{DD}) 和 - 12V (V{SS}) 用于為輸出放大器供電，+5V用于為DAC（ (DV_{DD}) ）供電。評(píng)估板軟件提供了設(shè)備選擇窗口和AD5545雙DAC操作界面，方便用戶進(jìn)行測(cè)試和配置。

評(píng)估板原理圖和布局

文檔中提供了評(píng)估板的原理圖和布局圖，包括Schematic Part A、Schematic Part B等，以及絲印圖、元件面和焊接面的布局圖，為用戶進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了詳細(xì)的參考。

七、訂購(gòu)指南

文檔提供了AD5545/AD5555的訂購(gòu)指南，包括不同型號(hào)的INL、DNL、分辨率、溫度范圍、封裝描述、封裝選項(xiàng)和訂購(gòu)數(shù)量等信息，方便用戶根據(jù)自己的需求選擇合適的產(chǎn)品。

綜上所述，AD5545/AD5555是兩款性能優(yōu)異的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有高精度、高速響應(yīng)、靈活的功能等特點(diǎn)，適用于自動(dòng)測(cè)試設(shè)備、儀器儀表、數(shù)字控制校準(zhǔn)、工業(yè)控制PLC、可編程衰減器等多種應(yīng)用場(chǎng)景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，結(jié)合其電氣特性、工作原理和應(yīng)用信息，合理選擇參考和放大器，使用評(píng)估板進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，能夠充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。你在使用AD5545/AD5555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)和見解。