低功耗14位DAC：MAX5170/MAX5172的深度解析

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，我們將深入探討MAX5170/MAX5172這兩款低功耗、串行、14位電壓輸出DAC，了解它們的特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品概述

MAX5170/MAX5172采用節(jié)省空間的16引腳QSOP封裝，內(nèi)置精密輸出放大器。MAX5170使用+5V單電源，MAX5172使用+3V單電源，兩者的電源電流僅為280μA，關(guān)斷時(shí)降至1μA。其可編程上電復(fù)位功能允許用戶選擇上電輸出電壓為0或中值。

特性亮點(diǎn)

1. 高精度：±1 LSB的積分非線性（INL），確保輸出的準(zhǔn)確性。
2. 低功耗：1μA的關(guān)斷電流，適合對(duì)功耗敏感的應(yīng)用。
3. 無毛刺輸出：上電時(shí)輸出電壓幾乎“無毛刺”，毛刺限制在幾毫伏以內(nèi)。
4. 單電源操作：MAX5170為+5V，MAX5172為+3V。
5. 寬輸出范圍：MAX5172滿量程輸出范圍為+2.048V（VREF = +1.25V），MAX5170為+4.096V（VREF = +2.5V）。
6. 軌到軌輸出放大器：提供更大的輸出電壓擺幅。
7. 可調(diào)節(jié)輸出偏移：通過OS引腳進(jìn)行偏移調(diào)整。
8. 低總諧波失真（THD）：在乘法操作中低至 -80dB。
9. 兼容多種接口：SPI/QSPI/MICROWIRE兼容的3線串行接口。
10. 可編程關(guān)斷模式和上電復(fù)位：靈活控制設(shè)備狀態(tài)。
11. 緩沖輸出：能夠驅(qū)動(dòng)5kΩ || 100pF負(fù)載。
12. 用戶可編程數(shù)字輸出引腳：可實(shí)現(xiàn)對(duì)外部組件的串行控制。

二、電氣特性

靜態(tài)性能

兩款器件的分辨率均為14位。MAX5170A的INL為±1 LSB，MAX5170B為±2 LSB；MAX5172A的INL為±2 LSB，MAX5172B為±4 LSB。差分非線性（DNL）均為±1 LSB，偏移誤差為±10mV。

動(dòng)態(tài)性能

輸出電壓擺率典型值為0.6V/μs，輸出建立時(shí)間為18μs（至±0.5LSB）。

電源特性

MAX5170的正電源電壓為4.5 - 5.5V，MAX5172為2.7 - 3.6V。正常工作時(shí)電源電流為0.28 - 0.4mA，關(guān)斷電流為1 - 10μA。

時(shí)序特性

不同的時(shí)鐘周期、脈沖寬度和延遲時(shí)間等參數(shù)確保了與外部設(shè)備的準(zhǔn)確通信。例如，MAX5170的SCLK時(shí)鐘周期為100ns，MAX5172為150ns。

三、引腳說明

四、詳細(xì)工作原理

參考輸入

參考輸入可接受AC和DC值，電壓范圍為0至VDD - 1.4V。輸出電壓由公式 (V{OUT }=frac{V{REF } × N × Gain }{16384}) 計(jì)算，其中N為DAC二進(jìn)制輸入代碼的數(shù)值，VREF為參考電壓，Gain為內(nèi)部設(shè)定的電壓增益（OS = AGND時(shí)為+1.638V/V）。

輸出放大器

當(dāng)OS連接到AGND時(shí)，輸出放大器采用內(nèi)部微調(diào)電阻分壓器，將增益設(shè)置為+1.638V/V，最小化增益誤差。在加載5kΩ || 100pF負(fù)載時(shí)，典型擺率為0.6V/μs，18μs內(nèi)可穩(wěn)定到±0.5LSB。

關(guān)斷模式

可通過軟件或硬件編程進(jìn)入關(guān)斷模式，此時(shí)典型電源電流降至1μA。關(guān)斷時(shí)，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)斷時(shí)，需等待40μs讓輸出穩(wěn)定。

串行接口

3線串行接口兼容SPI、QSPI和MICROWIRE標(biāo)準(zhǔn)。16位串行輸入字由兩個(gè)控制位和14位數(shù)據(jù)組成，控制位決定設(shè)備的操作模式。

串行數(shù)據(jù)輸出（DOUT）

DOUT是內(nèi)部移位寄存器的輸出，可用于多個(gè)設(shè)備的級(jí)聯(lián)和數(shù)據(jù)回讀。默認(rèn)情況下，數(shù)據(jù)在串行時(shí)鐘的上升沿移出，提供16個(gè)時(shí)鐘周期的延遲。

用戶可編程邏輯輸出（UPO）

UPO允許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。掉電時(shí)，該輸出保留關(guān)斷前的數(shù)字狀態(tài)。

復(fù)位（RS）和清除（CLR）

CLR引腳可將輸出電壓復(fù)位。RS連接DGND時(shí)，CLR將輸出電壓復(fù)位到最小值；RS連接VDD時(shí)，CLR將輸出電壓復(fù)位到中值。同時(shí)，CLR會(huì)將UPO復(fù)位到編程的默認(rèn)狀態(tài)。

五、應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

單極性輸出

如圖6所示，MAX5170/MAX5172可配置為單極性、軌到軌操作，增益為+1.638V/V。最大輸出電壓限制為VDD，可通過OS引腳引入偏移電壓。

雙極性輸出

圖8展示了雙極性輸出電路，輸出電壓由特定公式計(jì)算。不同的DAC輸入代碼對(duì)應(yīng)不同的模擬輸出電壓。

偏移和緩沖配置

通過OS引腳引入偏移電壓，偏移量由公式 (VOFFSET =VOS times(1 - Gain )) 計(jì)算。將OS連接到OUT可將輸出放大器的增益設(shè)置為1。

設(shè)備級(jí)聯(lián)

DOUT引腳允許多個(gè)MAX5170/MAX5172級(jí)聯(lián)，只需兩條線即可控制所有DAC。也可讓多個(gè)設(shè)備共享一個(gè)DIN信號(hào)線，但每個(gè)設(shè)備需要一個(gè)專用的CS線。

使用交流參考

MAX5170/MAX5172可接受帶有AC分量的參考電壓，只要參考電壓保持在0至VDD - 1.4V之間。

六、電源和布局考慮

為了獲得最佳系統(tǒng)性能，建議使用帶有獨(dú)立模擬和數(shù)字接地平面的印刷電路板。將DGND和AGND引腳在IC處連接在一起，并連接到系統(tǒng)模擬接地平面。使用4.7μF和0.1μF電容旁路電源，盡量減小引線長度以降低電感。同時(shí)，要確保DAC參考輸入引腳的參考輸出阻抗盡可能低，以維持INL和DNL性能以及增益漂移。

七、總結(jié)

MAX5170/MAX5172以其低功耗、高精度和豐富的功能，在工業(yè)過程控制、數(shù)字偏移和增益調(diào)整、運(yùn)動(dòng)控制等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮其電氣特性、引腳功能和應(yīng)用電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。在實(shí)際應(yīng)用中，你是否遇到過類似DAC的使用問題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。