探索MAX5175/MAX5177：低功耗12位串行DAC的卓越性能與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備等眾多領(lǐng)域。今天，我們將深入探討MAXIM公司推出的兩款低功耗、串行、12位DAC——MAX5175和MAX5177，了解它們的特性、性能指標(biāo)以及應(yīng)用場(chǎng)景。

文件下載：MAX5177.pdf

一、產(chǎn)品概述

MAX5175/MAX5177是兩款低功耗、串行、電壓輸出的12位DAC，采用節(jié)省空間的16引腳QSOP封裝，并集成了精密輸出放大器。其中，MAX5175采用單+5V電源供電，而MAX5177則采用單+3V電源供電。這兩款器件的輸出放大器反相輸入可用于特定增益配置、遠(yuǎn)程感應(yīng)和高輸出電流能力，非常適合工業(yè)過程控制等廣泛應(yīng)用。

它們僅消耗260μA的電源電流，在關(guān)機(jī)模式下可降至1μA。此外，可編程上電復(fù)位功能允許用戶選擇輸出電壓狀態(tài)為0或中值。其3線串行接口與SPI?、QSPI?和MICROWIRE?標(biāo)準(zhǔn)兼容，輸入寄存器和DAC寄存器提供雙緩沖輸入，允許寄存器獨(dú)立或同時(shí)更新。

二、產(chǎn)品特性

高精度與低功耗

• ±1 LSB INL：積分非線性誤差小，保證了輸出的高精度。
• 1μA關(guān)機(jī)電流：在關(guān)機(jī)模式下功耗極低，有效節(jié)省能源。
• 上電時(shí)“無毛刺”輸出電壓：采用專有片上電路，將上電時(shí)的毛刺限制在幾毫伏以內(nèi)。

靈活的電源與輸出范圍

• 單電源操作：MAX5175為+5V，MAX5177為+3V。
• 滿量程輸出范圍：MAX5177為+2.048V（VREF = +1.25V），MAX5175為+4.096V（VREF = +2.5V）。
• Rail-to-Rail?輸出放大器：輸出范圍接近電源軌，提供更大的動(dòng)態(tài)范圍。
• 可調(diào)輸出偏移：可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整輸出偏移。

出色的動(dòng)態(tài)性能

• 低THD（-80dB）：在乘法操作中總諧波失真低，輸出信號(hào)質(zhì)量高。
• SPI/QSPI/MICROWIRE兼容的3線串行接口：方便與各種微控制器和其他設(shè)備進(jìn)行通信。
• 可編程關(guān)機(jī)模式和上電復(fù)位：用戶可靈活控制設(shè)備的工作狀態(tài)。
• 緩沖輸出：能夠驅(qū)動(dòng)4 - 20mA或5kΩ || 100pF負(fù)載。
• 用戶可編程數(shù)字輸出引腳：允許對(duì)外部組件進(jìn)行串行控制。
• 14位升級(jí)版本：MAX5171/MAX5173為引腳兼容的14位升級(jí)產(chǎn)品。

三、電氣特性

靜態(tài)性能

兩款器件的分辨率均為12位，積分非線性（INL）和差分非線性（DNL）表現(xiàn)出色。以MAX5175為例，MAX5175A的INL為±1 LSB，MAX5175B為±2 LSB；DNL均為±1 LSB。同時(shí)，它們的偏移誤差、增益誤差、電源抑制比等指標(biāo)也都符合設(shè)計(jì)要求。

動(dòng)態(tài)性能

電壓輸出擺率典型值為0.6V/μs，輸出建立時(shí)間為12μs（至±0.5LSB，從10mV到滿量程）。此外，退出關(guān)機(jī)模式所需時(shí)間為40μs，數(shù)字饋通較小。

電源特性

MAX5175的正電源電壓范圍為4.5 - 5.5V，MAX5177為2.7 - 3.6V。正常工作時(shí)電源電流典型值為0.26mA，關(guān)機(jī)電流典型值為1μA。

時(shí)序特性

不同型號(hào)的時(shí)鐘周期、脈沖寬度等時(shí)序參數(shù)有所不同，例如MAX5175的SCLK時(shí)鐘周期為100ns，而MAX5177為150ns。

四、典型工作特性

通過一系列圖表展示了MAX5175/MAX5177在不同條件下的工作特性，如空載電源電流與電源電壓、溫度的關(guān)系，輸出電壓與溫度、負(fù)載電阻的關(guān)系，總諧波失真加噪聲與頻率的關(guān)系等。這些特性曲線有助于工程師更好地了解器件的性能，為實(shí)際應(yīng)用提供參考。

五、引腳描述

六、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{Ncdot V{REF}cdot Gain}{4096})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為外部設(shè)置的電壓增益。

輸出放大器

DAC輸出由精密放大器內(nèi)部緩沖，典型壓擺率為0.6V/μs。可通過訪問輸出放大器的反相輸入來靈活設(shè)置輸出增益和進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。當(dāng)負(fù)載為5kΩ并聯(lián)100pF時(shí)，輸出放大器在12μs內(nèi)從滿量程轉(zhuǎn)換到±0.5LSB。

關(guān)機(jī)模式

具有軟件和硬件可編程關(guān)機(jī)模式，可將典型電源電流降至1μA。關(guān)機(jī)時(shí)，參考輸入和放大器輸出變?yōu)楦咦杩?，串行接口保持活?dòng)。退出關(guān)機(jī)時(shí)，需等待40μs使輸出穩(wěn)定。

串行接口

3線串行接口與SPI、QSPI和MICROWIRE接口標(biāo)準(zhǔn)兼容。16位串行輸入字由兩個(gè)控制位、12位數(shù)據(jù)（MSB到LSB）和兩個(gè)子位組成?？刂莆粵Q定器件的響應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)加載輸入寄存器、更新DAC寄存器等操作。

串行數(shù)據(jù)輸出（DOUT）

DOUT為內(nèi)部移位寄存器的輸出，可用于多個(gè)器件的級(jí)聯(lián)和數(shù)據(jù)回讀。默認(rèn)情況下，啟動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)在串行時(shí)鐘的上升沿移出，滯后16個(gè)時(shí)鐘周期。

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)，該輸出將保留關(guān)機(jī)前的數(shù)字狀態(tài)。

復(fù)位（RS）和清除（CLR）

CLR引腳可重置輸出電壓，根據(jù)RS的連接狀態(tài)，可將輸出電壓重置為最小值（0）或中值。同時(shí)，CLR將UPO重置為其編程默認(rèn)狀態(tài)。

七、應(yīng)用信息

單極性輸出

通過特定電路配置，可實(shí)現(xiàn)單極性、軌到軌操作，增益為+2V/V。輸出電壓限于VDD，文檔中給出了單極性輸出電壓的代碼表。

雙極性輸出

采用特定電路可實(shí)現(xiàn)雙極性輸出，輸出電壓由公式(V{OUT}=V{REF}(2cdotfrac{N}{4096}-1))計(jì)算，同時(shí)給出了相應(yīng)的數(shù)字代碼和輸出電壓對(duì)應(yīng)表。

器件級(jí)聯(lián)

通過串行數(shù)據(jù)輸出引腳（DOUT）可將多個(gè)MAX5175/MAX5177級(jí)聯(lián)在一起，只需兩條線即可控制所有DAC，但編程需要n個(gè)命令。也可采用多個(gè)器件共享一個(gè)DIN信號(hào)線的配置，此時(shí)數(shù)據(jù)總線對(duì)所有設(shè)備通用，但每個(gè)設(shè)備需要專用的CS線，編程只需一個(gè)命令。

使用交流參考

MAX5175/MAX5177可接受包含AC分量的參考電壓，只要參考電壓保持在0至VDD - 1.4V之間。文檔中給出了應(yīng)用正弦波信號(hào)到REF的技術(shù)示例。

數(shù)字可編程電流源

通過在運(yùn)算放大器反饋回路中放置NPN晶體管，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字可編程單向電流源，輸出電流由公式(I{OUT}=frac{V{REF}cdot N}{Rcdot 4096})計(jì)算。

八、電源和布局考慮

為獲得最佳系統(tǒng)性能，建議使用具有獨(dú)立模擬和數(shù)字接地平面的印刷電路板，并在低阻抗電源源處將兩個(gè)接地平面連接在一起。將DAC的DGND和AGND引腳連接在一起，并連接到系統(tǒng)模擬接地平面。同時(shí)，使用4.7μF電容與0.1μF電容并聯(lián)旁路電源，盡量減小電容引線長(zhǎng)度以降低電感。為保證INL和DNL性能以及增益漂移，需在DAC參考輸入引腳提供盡可能低的參考輸出阻抗。

MAX5175/MAX5177憑借其低功耗、高精度、靈活的配置和豐富的功能，為電子工程師在各種應(yīng)用場(chǎng)景中提供了優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師們可以根據(jù)具體需求合理選擇和使用這兩款DAC，充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢(shì)。大家在使用過程中遇到過哪些問題或者有什么獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。