探索MAX5130/MAX5131：13位串行電壓輸出DAC的卓越性能

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，它能夠?qū)?a target="_blank">數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制、自動測試設(shè)備等眾多領(lǐng)域。今天，我們就來深入了解一下MAXIM公司推出的兩款低功耗、13位電壓輸出DAC——MAX5130和MAX5131。

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產(chǎn)品概述

MAX5130和MAX5131是具有內(nèi)部精密帶隙基準(zhǔn)和輸出放大器的低功耗13位電壓輸出DAC。MAX5130采用單+5V電源供電，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為+2.5V，能夠提供+4.0955V的滿量程輸出；而MAX5131則在+3V電源下工作，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為+1.25V，滿量程輸出為+2.04775V。這兩款器件的供電電流僅為500μA，在掉電模式下可降至3μA，并且具有上電復(fù)位功能，允許用戶選擇初始輸出狀態(tài)為0V或中量程，有效減少了上電期間的輸出電壓毛刺。

產(chǎn)品特性

電源與輸出范圍

• 單電源供電：MAX5130支持+5V電源，MAX5131支持+3V電源，滿足不同應(yīng)用場景的需求。
• 滿量程輸出范圍：MAX5130可達(dá)+4.0955V，MAX5131為+2.04775V，能夠提供較為寬廣的輸出范圍。

基準(zhǔn)與性能

• 內(nèi)置精密帶隙基準(zhǔn)：溫度系數(shù)最大為10ppm/°C，MAX5130的基準(zhǔn)電壓為+2.5V，MAX5131為+1.25V，確保了輸出的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
• 可調(diào)節(jié)輸出偏移：用戶可以通過調(diào)節(jié)輸出偏移電壓，滿足不同的應(yīng)用需求。

接口與兼容性

• SPI/QSPI/MICROWIRE兼容的3線串行接口：方便與其他設(shè)備進(jìn)行連接和通信，適用于級聯(lián)多個設(shè)備。
• 引腳可編程關(guān)機(jī)模式和上電復(fù)位：用戶可以根據(jù)需要靈活控制設(shè)備的工作狀態(tài)。

輸出驅(qū)動能力

• 緩沖輸出：能夠驅(qū)動5kΩ||100pF或4 - 20mA負(fù)載，具有較強(qiáng)的驅(qū)動能力。

封裝與升級

• 節(jié)省空間的16引腳QSOP封裝：適合對空間要求較高的應(yīng)用場景。
• 引腳兼容升級：可升級至12位的MAX5120/MAX5121或14位的MAX5170/MAX5172，方便用戶根據(jù)需求進(jìn)行升級。

電氣特性

靜態(tài)性能

兩款器件的分辨率均為13位，積分非線性（INL）和微分非線性（DNL）表現(xiàn)良好，偏移誤差和增益誤差也在合理范圍內(nèi)。例如，MAX5130A的INL為±0.5LSB，MAX5131A的INL為±1LSB。

動態(tài)性能

電壓輸出壓擺率典型值為0.6V/μs，輸出建立時間在20μs內(nèi)可達(dá)到±0.5LSB，能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用的動態(tài)響應(yīng)要求。

電源要求

MAX5130的電源電壓范圍為4.5 - 5.5V，MAX5131為2.7 - 3.6V，正常工作時的供電電流約為500μA，掉電模式下可降至3 - 20μA。

引腳描述

MAX5130/MAX5131共有16個引腳，每個引腳都有其特定的功能：

• OS：偏移調(diào)整（模擬輸入）
• OUT：模擬輸出電壓，在關(guān)機(jī)狀態(tài)下為高阻抗
• RSTVAL：復(fù)位值輸入（數(shù)字輸入），用于選擇輸出復(fù)位值為中量程或0V
• PDL：掉電鎖定（數(shù)字輸入），可禁止或允許設(shè)備進(jìn)入掉電模式
• CLR：復(fù)位DAC輸入（數(shù)字輸入），將DAC清零至預(yù)定的輸出狀態(tài)
• CS：片選輸入（數(shù)字輸入），低電平有效
• DIN：串行數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿時鐘輸入
• SCLK：串行時鐘輸入
• DGND：數(shù)字地
• DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出
• UPO：用戶可編程輸出（數(shù)字輸出）
• PD：掉電輸入（數(shù)字輸入），高電平使設(shè)備進(jìn)入掉電模式
• AGND：模擬地
• REF：緩沖基準(zhǔn)輸出/輸入，可使用內(nèi)部或外部基準(zhǔn)
• REFADJ：模擬基準(zhǔn)調(diào)整輸入，需連接33nF電容至AGND
• VDD：正電源，需使用0.1μF和4.7μF電容并聯(lián)至AGND進(jìn)行旁路

工作原理

內(nèi)部基準(zhǔn)

MAX5130和MAX5131均采用片上精密帶隙基準(zhǔn)，分別產(chǎn)生+2.5V（MAX5130）和+1.25V（MAX5131）的輸出電壓。REF引腳可提供高達(dá)100μA的電流，但在電容負(fù)載超過100pF時可能會不穩(wěn)定。REFADJ引腳可用于對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行微調(diào)，通過連接33nF電容至AGND可實(shí)現(xiàn)低噪聲操作。

外部基準(zhǔn)

用戶可以通過將REFADJ引腳拉至VDD來禁用內(nèi)部基準(zhǔn)，并將外部基準(zhǔn)信號（AC或DC）輸入到REF引腳。輸出電壓可通過公式(V{OUT }=left[V{REF } cdot(NB / 8192)right] cdot 1.6384 V / V)計算，其中NB為輸入代碼的數(shù)值，VREF為外部基準(zhǔn)電壓。

輸出放大器

輸出放大器采用微調(diào)電阻分壓器，設(shè)置增益為+1.6384V/V，以最小化增益誤差。典型的壓擺率為0.6V/μs，在5kΩ并聯(lián)100pF負(fù)載下，可在20μs內(nèi)穩(wěn)定至±0.5LSB。OS引腳可用于調(diào)整輸出偏移電壓。

掉電模式

MAX5130/MAX5131支持軟件和硬件可編程的掉電模式，可將典型供電電流降至3μA。在掉電模式下，放大器輸出變?yōu)楦咦杩梗薪涌诒３只钴S，輸入寄存器中的數(shù)據(jù)得以保存。退出掉電模式時，需要同時加載輸入和DAC寄存器，或從輸入寄存器更新DAC寄存器，并等待2ms（使用內(nèi)部基準(zhǔn)）或20μs（使用外部基準(zhǔn)）使輸出穩(wěn)定。

串行接口配置

MAX5130/MAX5131的3線串行接口與SPI、QSPI、PIC16/PIC17和MICROWIRE接口標(biāo)準(zhǔn)兼容。16位串行輸入字包含三個控制位和13個數(shù)據(jù)位，采用MSB優(yōu)先格式。通過控制位可以確定DOUT的時鐘輸出邊緣、用戶可編程邏輯輸出的狀態(tài)以及設(shè)備在掉電后的配置。

應(yīng)用信息

單極性輸出

MAX5130/MAX5131可實(shí)現(xiàn)單極性、軌到軌操作，增益為1.6384V/V。MAX5130使用+2.5V內(nèi)部基準(zhǔn)可產(chǎn)生0至+4.0955V的單極性輸出范圍，MAX5131使用+1.25V內(nèi)部基準(zhǔn)可產(chǎn)生0至+2.04775V的輸出范圍。通過連接適當(dāng)?shù)碾妷旱絆S引腳，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的偏移。

雙極性輸出

通過特定的電路配置，MAX5130/MAX5131可實(shí)現(xiàn)單位增益雙極性操作。輸出電壓由公式(V{OUT }=V{REF } cdot[{G cdot(NB / 8192)}-1])確定，其中G為整體增益。

級聯(lián)設(shè)備

多個MAX5130/MAX5131可以通過將一個設(shè)備的DOUT引腳連接到下一個設(shè)備的DIN引腳進(jìn)行級聯(lián)，也可以讓多個設(shè)備共享一個共同的DIN信號線，但需要更多的I/O線。

外部參考與交流分量

MAX5130/MAX5131在參考輸入電壓范圍內(nèi)具有乘法能力，可以通過特定技術(shù)將正弦輸入應(yīng)用于REF引腳。

設(shè)計考慮

電源和旁路

上電時，輸入和DAC寄存器會清零至零（RSTVAL = DGND）或中量程（RSTVAL = VDD）。電源需要使用4.7μF和0.1μF電容并聯(lián)至AGND進(jìn)行旁路，同時要盡量減少引線長度以降低引線電感。

布局

數(shù)字和交流瞬態(tài)信號耦合到AGND可能會在輸出端產(chǎn)生噪聲，因此AGND應(yīng)連接到高質(zhì)量的地，并采用適當(dāng)?shù)慕拥丶夹g(shù)，如使用具有低電感接地平面的多層板。不建議使用繞線板和插座，如有必要，可能需要進(jìn)行屏蔽。

總結(jié)

MAX5130/MAX5131以其低功耗、高精度、靈活的接口和豐富的功能，為電子工程師在各種應(yīng)用場景中提供了一個優(yōu)秀的選擇。無論是工業(yè)過程控制、自動測試設(shè)備還是數(shù)字偏移和增益調(diào)整等領(lǐng)域，這兩款DAC都能夠發(fā)揮出色的性能。在實(shí)際設(shè)計中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇電源、基準(zhǔn)和輸出配置，并注意電源旁路和布局等方面的問題，以確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。你在使用DAC的過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。