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，我們將深入探討德州儀器（TI）的DAC122S085，這是一款功能強(qiáng)大的12位微功耗雙數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有眾多出色的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

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產(chǎn)品概述

DAC122S085是一款全功能、通用的雙12位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，能夠在+2.7V至+5.5V的單電源下工作。在3V電源時(shí)功耗僅為0.6mW，5V電源時(shí)為1.6mW，具有低功耗的顯著優(yōu)勢(shì)。它采用10引腳SON和VSSOP封裝，其中10引腳SON封裝使其成為同類產(chǎn)品中最小的雙DAC。片上輸出放大器支持軌到軌輸出擺幅，三線串行接口在整個(gè)電源電壓范圍內(nèi)的時(shí)鐘速率最高可達(dá)40 MHz，相比競(jìng)品在2.7V至3.6V電源電壓范圍內(nèi)僅25 MHz的時(shí)鐘速率，具有明顯優(yōu)勢(shì)。該串行接口還與標(biāo)準(zhǔn)SPI?、QSPI、MICROWIRE和DSP接口兼容，方便與各種設(shè)備進(jìn)行連接。

產(chǎn)品特性與優(yōu)勢(shì)

特性亮點(diǎn)

• 確保單調(diào)性：輸出不會(huì)隨著輸入代碼的增加而降低，保證了轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性和可靠性。
• 低功耗運(yùn)行：在不同電源電壓下都能保持較低的功耗，適合電池供電的設(shè)備。
• 軌到軌電壓輸出：輸出電壓范圍能夠達(dá)到電源電壓的上下限，提供了更寬的動(dòng)態(tài)范圍。
• 上電復(fù)位至0V：確保設(shè)備在上電時(shí)輸出為0V，避免異常輸出。
• 同步輸出更新：可以同時(shí)更新兩個(gè)通道的輸出，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
• 寬電源電壓范圍：+2.7V至+5.5V的電源電壓范圍，增加了產(chǎn)品的適用性。
• 行業(yè)最小封裝：小巧的封裝尺寸，節(jié)省了電路板空間。
• 掉電模式：在不使用時(shí)可以進(jìn)入低功耗模式，進(jìn)一步降低功耗。

關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)

這些參數(shù)表明DAC122S085在精度和速度方面都有出色的表現(xiàn)，能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。

功能描述

DAC部分

DAC122S085采用CMOS工藝制造，其架構(gòu)由開關(guān)和電阻串組成，后面跟隨一個(gè)輸出緩沖器。參考電壓通過VREFIN引腳外部施加，并且由所有四個(gè)DAC共享。輸入編碼為直二進(jìn)制，理想輸出電壓由公式$V{OUTA,B }=V{REFIN } \times(D / 4096)$確定，其中D是加載到DAC寄存器的二進(jìn)制代碼的十進(jìn)制等效值，這種配置確保了DAC的單調(diào)性。

輸出放大器

輸出放大器為軌到軌放大器，當(dāng)參考電壓為$V{A}$時(shí)，輸出電壓范圍為0V至$V{A}$。不過，當(dāng)輸出接近電源軌時(shí)，所有放大器（包括軌到軌類型）都會(huì)出現(xiàn)線性度損失。因此，線性度是在小于DAC全輸出范圍的情況下指定的。如果參考電壓小于$V{A}$，則僅在最低代碼中會(huì)出現(xiàn)線性度損失。輸出放大器能夠驅(qū)動(dòng)與1500 pF并聯(lián)的2 kΩ負(fù)載到地或$V{A}$，具體的零碼和滿量程輸出可參考電氣特性表。

參考電壓

DAC122S085使用一個(gè)由兩個(gè)通道共享的外部參考電壓。參考引腳VREFIN未緩沖，輸入阻抗為60 kΩ，建議使用低輸出阻抗的電壓源驅(qū)動(dòng)該引腳。參考電壓范圍為1.0V至$V_{A}$，可提供盡可能寬的輸出動(dòng)態(tài)范圍。

串行接口

三線接口與SPI?、QSPI和MICROWIRE以及大多數(shù)DSP兼容，時(shí)鐘速率最高可達(dá)40 MHz。寫入序列從將SYNC線拉低開始，一旦SYNC為低，DIN線上的數(shù)據(jù)將在SCLK的下降沿時(shí)鐘輸入到16位串行輸入寄存器。為避免數(shù)據(jù)誤時(shí)鐘到移位寄存器，關(guān)鍵是不要在SCLK的下降沿同時(shí)將SYNC拉低。在第16個(gè)下降時(shí)鐘沿，最后一位數(shù)據(jù)被時(shí)鐘輸入，編程功能（如DAC通道地址、操作模式和/或寄存器內(nèi)容的更改）將被執(zhí)行。此時(shí)，SYNC線可以保持低電平或拉高。第16個(gè)下降時(shí)鐘沿之后的任何數(shù)據(jù)和時(shí)鐘脈沖都將被忽略。無論哪種情況，在通過SYNC的下降沿啟動(dòng)下一個(gè)寫入序列之前，SYNC必須拉高到指定的最短時(shí)間。由于SYNC和DIN緩沖器在高電平時(shí)消耗更多電流，因此在寫入序列之間應(yīng)將它們閑置為低電平以最小化功耗。

輸入移位寄存器

輸入移位寄存器有16位。第一位必須設(shè)置為“0”，第二位是地址位，用于確定寄存器數(shù)據(jù)是針對(duì)DAC A還是DAC B。接下來的兩位確定操作模式（如寫入DAC寄存器而不更新兩個(gè)DAC的輸出、寫入DAC寄存器并更新兩個(gè)DAC的輸出、寫入兩個(gè)DAC的寄存器并更新其輸出或關(guān)閉兩個(gè)輸出）。移位寄存器的最后12位是數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)格式為直二進(jìn)制（MSB優(yōu)先，LSB最后），所有0對(duì)應(yīng)于0V輸出，所有1對(duì)應(yīng)于$V_{REFIN } - 1 LSB$的滿量程輸出。串行輸入寄存器的內(nèi)容在SCLK的第16個(gè)下降沿傳輸?shù)紻AC寄存器。

上電復(fù)位

上電復(fù)位電路在上電期間控制兩個(gè)DAC的輸出電壓。上電時(shí)，DAC寄存器被填充為0，輸出電壓為0V，直到對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效的寫入操作。

掉電模式

DAC122S085有四種掉電模式，其中兩種相同。在掉電模式下，3V時(shí)電源電流降至20 μA，5V時(shí)降至30 μA。通過將OP1和OP0設(shè)置為11可將DAC122S085設(shè)置為掉電模式。由于此模式會(huì)關(guān)閉兩個(gè)DAC，因此移位寄存器的前兩位用于選擇DAC輸出的不同輸出端接方式。將A1和A0設(shè)置為00或11會(huì)使輸出處于高阻態(tài)（高阻抗?fàn)顟B(tài)），而將A1和A0設(shè)置為01或10會(huì)使輸出分別通過2.5 kΩ或100 kΩ接地。在任何掉電模式下，偏置發(fā)生器、輸出放大器、電阻串和其他線性電路都會(huì)關(guān)閉，但DAC寄存器的內(nèi)容不受影響。在掉電模式下，通過將SYNC和DIN閑置為低電平并禁用SCLK可實(shí)現(xiàn)最低功耗。退出掉電模式的時(shí)間（喚醒時(shí)間）通常如交流和時(shí)序特性中所述為$twu$微秒。

應(yīng)用信息

參考電源的使用

由于DAC122S085從參考輸入（VREFIN）到VOUTs的路徑基本上具有零電源抑制比（PSRR），因此必須為VREFIN提供無噪聲的電源電壓。為了充分利用DAC122S085的動(dòng)態(tài)范圍，電源引腳$(V_{A})$和VREFIN可以連接在一起并共享相同的電源電壓。由于DAC122S085功耗極低，參考源可作為參考輸入和/或電源電壓。使用參考源相對(duì)于電壓調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)是精度和穩(wěn)定性。以下是一些適合DAC122S085的參考和電源選項(xiàng)：

• LM4130：具有0.05%的溫度精度，是DAC122S085參考源的不錯(cuò)選擇。如果需要0至4.095V的輸出范圍，4.096V版本很有用。通過在LM4130的VIN引腳旁路一個(gè)0.1μF電容器，在VOUT引腳旁路一個(gè)2.2μF電容器，可以提高穩(wěn)定性并降低輸出噪聲。它采用節(jié)省空間的5引腳SOT23封裝。
• LM4050：精度為0.44%的并聯(lián)參考，有4.096V和5V版本，采用節(jié)省空間的3引腳SOT23封裝。在使用時(shí)，需要根據(jù)特定條件選擇合適的電阻值，以確保LM4050的電流在額定范圍內(nèi)。
• LP3985：是一種低噪聲、超低壓差電壓調(diào)節(jié)器，在溫度范圍內(nèi)精度為3%。它有3.0V、3.3V和5V等版本，在低頻下具有低至30 μV的噪聲規(guī)格，對(duì)于某些對(duì)低頻噪聲敏感的應(yīng)用很重要。它采用節(jié)省空間的5引腳SOT - 23和5凸塊DSBGA封裝。在使用時(shí)，輸入需要一個(gè)1.0μF的電容，輸出需要一個(gè)1.0μF且ESR在5mΩ至500mΩ之間的陶瓷電容。
• LP2980：是一種超低壓差調(diào)節(jié)器，根據(jù)等級(jí)不同，在溫度范圍內(nèi)的精度為0.5%或1.0%。有3.0V、3.3V和5V等版本。與任何低壓差調(diào)節(jié)器一樣，LP2980需要一個(gè)輸出電容來實(shí)現(xiàn)環(huán)路穩(wěn)定，輸出電容至少應(yīng)為1.0μF，2.2μF或更大的值將提供更好的性能，電容的ESR應(yīng)在LP2980數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定的范圍內(nèi)。表面貼裝固體鉭電容是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，而陶瓷電容的ESR值通常過低，鋁電解電容的尺寸大且低溫下ESR值可能過高，不太適合。

雙極性操作

DAC122S085設(shè)計(jì)用于單電源操作，輸出為單極性。但通過特定電路可以實(shí)現(xiàn)雙極性輸出，例如圖35所示的電路可提供±5V的輸出電壓范圍。如果放大器電源限制為±5V，則應(yīng)使用軌到軌放大器。該電路的輸出電壓可通過公式$V{O}=\left(V{A} \times(D / 4096) \times((R 1+R 2) / R 1)-V{A} × R 2 / R 1\right)$計(jì)算，當(dāng)$V{A}=5 ~V$且$R 1=R 2$時(shí)，$V_{O}=(10 × D / 4096)-5V$，其中D是十進(jìn)制形式的輸入代碼。適合此應(yīng)用的一些軌到軌放大器包括LMC7111、LM7301和LM8261。

與DSP/微處理器的接口

ADSP - 2101/ADSP2103接口

DAC122S085與ADSP - 2101/ADSP2103的串行接口如圖36所示。DSP應(yīng)設(shè)置為SPORT傳輸交替幀模式，通過SPORT控制寄存器進(jìn)行編程，并配置為內(nèi)部時(shí)鐘操作、低電平有效幀和16位字長。在啟用SPORT模式后，通過向Tx寄存器寫入一個(gè)字來啟動(dòng)傳輸。

80C51/80L51接口

DAC122S085與80C51/80L51微控制器的串行接口如圖37所示。SYNC信號(hào)來自微控制器的可編程引腳（例如P3.3），當(dāng)向DAC122S085傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，該線被拉低。由于80C51/80L51傳輸8位字節(jié)，在傳輸周期中只有8個(gè)下降時(shí)鐘沿。為了將數(shù)據(jù)加載到DAC，在傳輸前8位后，P3.3線必須保持低電平，然后啟動(dòng)第二個(gè)寫入周期傳輸?shù)诙€(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，之后將P3.3線拉高。同時(shí)，80C51/80L51的傳輸例程必須注意其數(shù)據(jù)傳輸是LSB優(yōu)先，而DAC122S085需要MSB優(yōu)先的數(shù)據(jù)。

68HC11接口

DAC122S085與68HC11微控制器的串行接口如圖38所示。DAC122S085的SYNC線由端口線（如圖中的PC7）驅(qū)動(dòng)，與80C51/80L51類似。68HC11應(yīng)將其CPOL位配置為0，CPHA位配置為1，這樣MOSI輸出上的數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿有效。PC7被拉低以向DAC傳輸數(shù)據(jù)，68HC11以8位字節(jié)傳輸數(shù)據(jù)，有8個(gè)下降時(shí)鐘沿，數(shù)據(jù)以MSB優(yōu)先傳輸。在傳輸前8位后，PC7必須保持低電平，然后啟動(dòng)第二個(gè)寫入周期傳輸?shù)诙€(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，之后將PC7拉高以結(jié)束寫入序列。

Microwire接口

DAC122S085與Microwire兼容設(shè)備的接口如圖39所示。數(shù)據(jù)在SK信號(hào)的上升沿時(shí)鐘輸出，因此Microwire設(shè)備的SK需要在驅(qū)動(dòng)DAC122S085的SCLK之前進(jìn)行反相。

布局、接地和旁路

為了獲得最佳精度和最小噪聲，包含DAC122S085的印刷電路板應(yīng)具有單獨(dú)的模擬和數(shù)字區(qū)域，這些區(qū)域由模擬和數(shù)字電源平面的位置定義，且兩個(gè)平面應(yīng)位于同一板層。應(yīng)使用單個(gè)接地平面，如果數(shù)字返回電流不流經(jīng)模擬接地區(qū)域，則首選單個(gè)接地平面。通常，單個(gè)接地平面設(shè)計(jì)會(huì)采用“圍欄”技術(shù)來防止模擬和數(shù)字接地電流混合。只有在“圍欄”技術(shù)不足時(shí)才使用單獨(dú)的接地平面，且單獨(dú)的接地平面必須在一個(gè)地方連接，最好靠近DAC122S085。特別要注意確保具有快速邊沿速率的數(shù)字信號(hào)不會(huì)越過分割的接地平面，它們必須始終在其走線下方有連續(xù)的返回路徑。DAC122S085的電源應(yīng)使用10μF和0.1μF的電容進(jìn)行旁路，0.1μF電容應(yīng)靠近設(shè)備的電源引腳。10μF電容應(yīng)為鉭類型，0.1μF電容應(yīng)為低ESL、低ESR類型。DAC122S085的電源僅應(yīng)用于模擬電路。此外，應(yīng)避免模擬和數(shù)字信號(hào)交叉，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線應(yīng)位于電路板的元件側(cè)，并具有受控的阻抗。

總結(jié)

DAC122S085憑借其低功耗、高精度、軌到軌輸出、高速串行接口等眾多優(yōu)點(diǎn)，成為電池供電儀器、數(shù)字增益和失調(diào)調(diào)整、可編程電壓和電流源、可編程衰減器等應(yīng)用的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇參考電源、進(jìn)行接口設(shè)計(jì)以及優(yōu)化電路板布局，以充分發(fā)揮DAC122S085的性能優(yōu)勢(shì)。希望本文能為電子工程師們?cè)谑褂肈AC122S085進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有價(jià)值的參考。大家在使用過程中有任何問題或者經(jīng)驗(yàn)，歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。