低成本+5V 14位串行輸入電壓輸出DAC——MAX5544的詳細(xì)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重要橋梁。今天，我們來(lái)深入了解一款由MAXIM推出的低成本、+5V供電、串行輸入、電壓輸出的14位DAC——MAX5544。

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一、產(chǎn)品概述

MAX5544是一款單+5V供電的14位單調(diào)數(shù)字 - 模擬轉(zhuǎn)換器，其DAC輸出為無(wú)緩沖形式，這使得它具有低至0.3mA的電源電流和低至1LSB的偏移誤差。DAC輸出范圍為0V到VREF，DAC鎖存器可以接受一個(gè)16位的串行字。上電復(fù)位電路會(huì)在電源首次施加時(shí)將DAC輸出清零至0V（單極性模式）。它擁有10MHz的3線串行接口，與SPI?/QSPI?/MICROWIRE?兼容，還能直接與光耦合器接口，適用于需要隔離的應(yīng)用場(chǎng)景。該產(chǎn)品采用8引腳SO封裝。

二、產(chǎn)品特性

1. 高性能：無(wú)需調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)完整的14位性能。
2. 單電源供電：僅需+5V單電源即可正常工作。
3. 低功耗：功耗僅為1.5mW。
4. 快速響應(yīng)：具有1μs的建立時(shí)間。
5. 直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載：無(wú)緩沖電壓輸出可直接驅(qū)動(dòng)60kΩ負(fù)載。
6. 兼容接口：SPI/QSPI/MICROWIRE兼容的串行接口。
7. 上電復(fù)位：上電復(fù)位電路可將DAC輸出清零至0V（單極性模式）。
8. 光耦接口：施密特觸發(fā)輸入可直接與光耦合器接口。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

MAX5544適用于多種領(lǐng)域，如高分辨率偏移和增益調(diào)整、工業(yè)過(guò)程控制、自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

四、產(chǎn)品參數(shù)

（一）絕對(duì)最大額定值

（二）電氣特性

1. 靜態(tài)性能 - 模擬部分

2. 參考輸入

3. 動(dòng)態(tài)性能 - 模擬部分

4. 動(dòng)態(tài)性能 - 參考部分

5. 靜態(tài)性能 - 數(shù)字輸入

6. 電源

（三）時(shí)序特性

五、引腳說(shuō)明

六、詳細(xì)工作原理

（一）架構(gòu)設(shè)計(jì)

MAX5544由兩個(gè)匹配的DAC部分組成，其中12位反相R - 2R DAC構(gòu)成12個(gè)LSB，4個(gè)MSB由15個(gè)相同匹配的電阻得出。這種架構(gòu)使得在主要進(jìn)位轉(zhuǎn)換時(shí)，能夠?qū)⒆畹偷拿棠芰總鬟f到DAC輸出，同時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)R - 2R梯形電路相比，將DAC輸出阻抗降低了八倍，從而允許在中等負(fù)載應(yīng)用中進(jìn)行無(wú)緩沖操作。

（二）數(shù)字接口

MAX5544的數(shù)字接口是標(biāo)準(zhǔn)的3線連接，與SPI/QSPI/MICROWIRE接口兼容。芯片選擇輸入（CS）對(duì)數(shù)據(jù)輸入引腳（DIN）上的串行數(shù)據(jù)加載進(jìn)行幀定界。在CS從高到低轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)會(huì)在串行時(shí)鐘輸入（SCLK）的上升沿同步移位并鎖存到輸入寄存器中。當(dāng)16位數(shù)據(jù)（14位數(shù)據(jù)位加上兩個(gè)設(shè)置為零的子位）加載到串行輸入寄存器后，會(huì)在CS從低到高轉(zhuǎn)換時(shí)將其內(nèi)容傳輸?shù)紻AC鎖存器。需要注意的是，如果CS在整個(gè)16個(gè)SCLK周期內(nèi)沒(méi)有保持低電平，數(shù)據(jù)將會(huì)損壞，此時(shí)需要用新的16位字重新加載DAC鎖存器。

（三）外部參考

MAX5544可以使用2V到3V的外部電壓參考，參考電壓決定了DAC的滿量程輸出電壓。

（四）上電復(fù)位

MAX5544具有上電復(fù)位電路，在首次施加VDD時(shí)，會(huì)將DAC的輸出在單極性模式下設(shè)置為0V，確保系統(tǒng)上電后不會(huì)立即出現(xiàn)不需要的DAC輸出電壓。在雙極性模式下，DAC輸出將設(shè)置為 - VREF。

七、應(yīng)用注意事項(xiàng)

（一）參考和模擬地輸入

MAX5544需要使用2V到3V的外部電壓參考，并通過(guò)適當(dāng)?shù)膮⒖歼x擇和應(yīng)用來(lái)保持14位性能。理想情況下，參考的溫度系數(shù)應(yīng)小于1.5ppm/°C，以在商業(yè)溫度范圍（0°C到+70°C）內(nèi)將14位精度保持在1LSB以內(nèi)。由于該轉(zhuǎn)換器是反相R - 2R電壓模式DAC，電壓參考看到的輸入電阻與代碼有關(guān)，最壞情況下的輸入電阻變化范圍從11.5kΩ（代碼8555十六進(jìn)制）到200kΩ（代碼0000十六進(jìn)制）。對(duì)于2.5V參考，最大負(fù)載電流變化為217μA，因此為了使最大誤差為0.1LSB，所需的負(fù)載調(diào)節(jié)率為28ppm/mA，這意味著參考輸出阻抗應(yīng)小于71mΩ。此外，從電壓參考到參考輸入的信號(hào)路徑阻抗必須保持較低，因?yàn)樗鼤?huì)直接導(dǎo)致負(fù)載調(diào)節(jié)誤差。

為了滿足低阻抗電壓參考的要求，需要在參考輸入和地之間進(jìn)行電容旁路。在REF和AGND之間使用短引線的0.1μF陶瓷電容進(jìn)行高頻旁路，優(yōu)選表面貼裝陶瓷芯片電容，因?yàn)樗哂凶畹偷碾姼?。在REF和AGND之間額外添加10μF電容進(jìn)行低頻旁路，低ESR的鉭電容、薄膜電容或有機(jī)半導(dǎo)體電容效果較好。有引線的電容也是可以接受的，因?yàn)樵谳^低頻率下阻抗不是那么關(guān)鍵。根據(jù)外部參考在電容負(fù)載下的穩(wěn)定性，更大的旁路電容可能會(huì)對(duì)電路有益。如果不使用單獨(dú)的強(qiáng)制和檢測(cè)線，應(yīng)將適當(dāng)?shù)膹?qiáng)制和檢測(cè)引腳在靠近封裝處連接在一起。

AGND也必須具有低阻抗，因?yàn)檫^(guò)大的AGND電阻會(huì)引入負(fù)載調(diào)節(jié)誤差。在所有高分辨率、高精度應(yīng)用中，分開(kāi)的模擬和數(shù)字接地平面能獲得最佳效果。將DGND在AGND引腳處連接到AGND，形成DAC系統(tǒng)的“星形”接地。為了獲得最佳性能，應(yīng)始終將遠(yuǎn)程DAC負(fù)載參考到該系統(tǒng)接地。

（二）無(wú)緩沖操作

無(wú)緩沖操作可以降低功耗以及外部輸出緩沖器帶來(lái)的偏移誤差。R - 2R DAC輸出可直接在OUT引腳獲得，允許在+VREF到AGND范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)14位性能，且在零刻度時(shí)不會(huì)降低性能。DAC的輸出阻抗足夠低，可以驅(qū)動(dòng)中等負(fù)載（RL > 60kΩ）而不會(huì)降低INL或DNL，只有增益誤差會(huì)因外部加載DAC輸出而增加。

（三）外部輸出緩沖放大器

在單極性模式下，輸出放大器采用電壓跟隨器連接。DAC的輸出電阻是恒定的，且與輸入代碼無(wú)關(guān)，但輸出放大器的輸入阻抗應(yīng)盡可能高，以最小化增益誤差。DAC的輸出電容也與輸入代碼無(wú)關(guān)，從而簡(jiǎn)化了外部放大器的穩(wěn)定性要求。

在單電源應(yīng)用中，有輸入共模范圍包括AGND的精密放大器，但它們的輸出擺幅通常在不顯著降低性能的情況下不包括負(fù)軌（AGND）。如果應(yīng)用不使用接近零的代碼，像MAX495這樣的單電源運(yùn)算放大器是合適的。

由于14位DAC的LSB非常小（VREF = 2.5V時(shí)為152.6μV），需要密切關(guān)注外部放大器的輸入規(guī)格。輸入偏移電壓可能會(huì)降低零刻度誤差，如果偏移電壓大于1/2LSB，可能需要進(jìn)行輸出偏移調(diào)整以保持完全精度。同樣，輸入偏置電流乘以DAC輸出電阻（通常為6.25kΩ）會(huì)導(dǎo)致零刻度誤差。還必須考慮溫度影響，在商業(yè)溫度范圍內(nèi)，偏移電壓溫度系數(shù)（參考+25°C）必須小于1.7μV/°C，以增加小于1/2LSB的零刻度誤差。外部放大器的輸入電阻與DAC輸出電阻形成電阻分壓器，會(huì)導(dǎo)致增益誤差。為了使增益誤差小于1/2LSB，輸入電阻通常必須大于205MΩ。

建立時(shí)間受緩沖器輸入電容、DAC的輸出電容和PCB板電容的影響。典型的DAC輸出電壓建立時(shí)間對(duì)于滿量程階躍為1μs，對(duì)于較小的階躍變化，建立時(shí)間可能會(huì)顯著減少。假設(shè)是單時(shí)間常數(shù)指數(shù)建立響應(yīng)，滿量程階躍需要10.4個(gè)時(shí)間常數(shù)才能穩(wěn)定到最終輸出電壓的±1/2LSB以內(nèi)。時(shí)間常數(shù)等于DAC輸出電阻乘以總輸出電容，DAC輸出電容通常為10pF，任何額外的輸出電容都會(huì)增加建立時(shí)間。

外部緩沖放大器的增益帶寬積很重要，因?yàn)樗鼤?huì)通過(guò)在輸出響應(yīng)中增加另一個(gè)時(shí)間常數(shù)來(lái)增加建立時(shí)間。兩個(gè)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)（每個(gè)系統(tǒng)都有單時(shí)間常數(shù)響應(yīng)）的有效時(shí)間常數(shù)約為兩個(gè)時(shí)間常數(shù)的平方和的平方根。DAC輸出的時(shí)間常數(shù)為1μs / 10.4 = 96ns（忽略額外電容的影響）。如果帶寬為1MHz的外部放大器的時(shí)間常數(shù)為1 / 2π(1MHz) = 159ns，則組合系統(tǒng)的有效時(shí)間常數(shù)為186ns，這意味著包括外部緩沖放大器在內(nèi)，穩(wěn)定到最終輸出電壓的±1/2LSB以內(nèi)的建立時(shí)間約為1.93μs。

（四）數(shù)字輸入和接口邏輯

14位DAC的數(shù)字接口基于3線標(biāo)準(zhǔn)，與SPI/QSPI/MICROWIRE兼容。三個(gè)數(shù)字輸入（CS、DIN和SCLK）將數(shù)字輸入數(shù)據(jù)串行加載到DAC中。所有數(shù)字輸入都包括施密特觸發(fā)緩沖器，以接受緩慢過(guò)渡的接口，這意味著光耦合器可以直接與MAX5544接口，而無(wú)需額外的外部邏輯。數(shù)字輸入與TTL/CMOS邏輯兼容。

（五）單極性配置

MAX5544可以配置為單極性操作，使用外部運(yùn)算放大器，運(yùn)算放大器設(shè)置為單位增益。

（六）電源旁路和接地管理

為了獲得最佳系統(tǒng)性能，應(yīng)使用具有單獨(dú)模擬和數(shù)字接地平面的PCB板，不建議使用繞線板。將兩個(gè)接地平面在低阻抗電源源處連接在一起，將DGND和AGND在IC處連接在一起。通過(guò)將DAC的DGND和AGND引腳連接在一起，并將該點(diǎn)連接到系統(tǒng)模擬接地平面，可以實(shí)現(xiàn)最佳接地連接。如果DAC的DGND連接到系統(tǒng)數(shù)字接地，數(shù)字噪聲可能會(huì)進(jìn)入DAC的模擬部分。

在VDD和AGND之間連接一個(gè)0.1μF陶瓷電容對(duì)VDD進(jìn)行旁路，將其短引線安裝在靠近器件的位置。還可以使用鐵氧體磁珠進(jìn)一步隔離模擬和數(shù)字電源。

八、總結(jié)

MAX5544是一款性能出色、應(yīng)用廣泛的14位DAC，其低功耗、快速響應(yīng)、兼容接口等特性使其在眾多領(lǐng)域都有良好的表現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)其特性和參數(shù)，合理設(shè)計(jì)電路，注意參考和模擬地輸入、無(wú)緩沖操作、外部輸出緩沖放大器等方面的問(wèn)題，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。大家在使用過(guò)程中有沒(méi)有遇到過(guò)什么特別的