探秘AD5680：18位nanoDAC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。今天，我們將深入探討Analog Devices公司的AD5680，一款具有高性能和廣泛應(yīng)用前景的18位nanoDAC。

文件下載：AD5680BCPZ-1RL7.pdf

一、AD5680概述

AD5680是nanoDAC家族的一員，是一款單通道、18位緩沖電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它采用4.5V至5.5V單電源供電，具備18位單調(diào)性，能夠提供高精度的模擬輸出。其顯著特點(diǎn)包括：

1. 高分辨率：擁有18位的分辨率，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)的模擬輸出。
2. 高精度：保證12位的精度，滿足對精度要求較高的應(yīng)用場景。
3. 小封裝：采用微小的8引腳SOT - 23封裝，節(jié)省電路板空間，適合對空間要求嚴(yán)格的設(shè)計(jì)。
4. 低功耗：正常工作時(shí)功耗低，在5V電源下典型功耗僅為1.6mW，非常適合便攜式電池供電設(shè)備。
5. 上電復(fù)位功能：可選擇上電復(fù)位至零刻度（AD5680 - 1）或中間刻度（AD5680 - 2），確保系統(tǒng)上電時(shí)DAC輸出處于已知狀態(tài)。
6. 靈活的接口：采用3線串行接口，兼容SPI、QSPI、MICROWIRE和DSP接口標(biāo)準(zhǔn)，最高時(shí)鐘速率可達(dá)30MHz，方便與各種微處理器連接。
7. 軌到軌輸出：片上精密輸出放大器支持軌到軌輸出擺幅，輸出電壓范圍為0V至(V_{DD})。
8. SYNC中斷功能：提供SYNC中斷機(jī)制，可靈活控制數(shù)據(jù)寫入過程。
9. 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 - 40°C至 + 105°C，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。

二、技術(shù)參數(shù)分析

（一）靜態(tài)性能

1. 分辨率：18位分辨率確保了輸出的高精度和細(xì)膩度。
2. 相對精度：B級的相對精度在±32至±64 LSB之間。
3. 差分非線性（DNL）：在50Hz系統(tǒng)帶寬下，DNL為±1 LSB；在300Hz系統(tǒng)帶寬下，DNL為±2 LSB，保證了輸出的單調(diào)性。
4. 零碼誤差：當(dāng)DAC寄存器加載全0代碼時(shí)，零碼誤差最大為10mV。
5. 滿量程誤差：加載全1代碼時(shí)，滿量程誤差為 - 0.2%至 - 1% FSR。
6. 偏移誤差：最大為±10mV。
7. 增益誤差：最大為±1.5% FSR。
8. 零碼誤差漂移：為±2μV/°C。
9. 增益溫度系數(shù)：為±2.5 ppm/°C。
10. 直流電源抑制比（PSRR）：在DAC代碼為中間刻度、(V_{DD}=5V ± 10%)時(shí)，PSRR為 - 100dB。

（二）輸出特性

1. 輸出電壓范圍：0V至(V_{DD})。
2. 輸出電壓建立時(shí)間：對于1/4至3/4量程變化，建立到±8 LSB的時(shí)間為80至85μs。
3. 壓擺率：為1.5V/μs。
4. 容性負(fù)載穩(wěn)定性：在(R_{L}=∞)時(shí)，可穩(wěn)定驅(qū)動2nF的容性負(fù)載。
5. 輸出噪聲譜密度：在(R_{L}=2kΩ)、DAC代碼為中間刻度、10kHz時(shí)，為10 - 80nV/√Hz。
6. 輸出噪聲（0.1Hz至10Hz）：在DAC代碼為中間刻度時(shí)，為25μV p - p。
7. 總諧波失真（THD）：在(V_{REF}=2V ± 300mV p - p)、(f = 200Hz)時(shí)，為 - 80dB。
8. 數(shù)模毛刺脈沖：在主要進(jìn)位附近1 LSB變化時(shí)，為5nV - s。
9. 數(shù)字饋通：為0.2nV - s。
10. 直流輸出阻抗：為0.5Ω。
11. 短路電流：在(V_{DD}=5V)時(shí)，為30mA。

（三）參考輸入

1. 參考電流：為40至75μA。
2. 參考輸入范圍：為0.75V至(V_{DD})。
3. 參考輸入阻抗：為125kΩ。

（四）邏輯輸入

輸入電流、輸入低電壓、輸入高電壓和引腳電容等參數(shù)在(V_{DD}=5V)時(shí)都有明確規(guī)定。

（五）電源要求

在正常模式下，(V_{DD})為4.5V至5.5V，電流為325至450μA。

（六）電源效率

在(I{LOAD}=2mA)、(V{DD}=5V)時(shí)，(I{OUT}/I{DD})為85%。

（七）時(shí)序特性

對SCLK周期時(shí)間、高電平時(shí)間、低電平時(shí)間，以及SYNC與SCLK的各種時(shí)間關(guān)系都有嚴(yán)格要求，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸。

（八）絕對最大額定值

對(V{DD})、(V{OUT})、(V{FB})、(V{REF})等引腳的電壓范圍，以及工作溫度、存儲溫度、結(jié)溫、功耗等都有明確的限制，使用時(shí)需嚴(yán)格遵守，避免損壞器件。

三、工作原理

（一）DAC部分

AD5680采用CMOS工藝制造，其架構(gòu)由一個(gè)電阻串DAC和一個(gè)輸出緩沖放大器組成。輸入編碼為直二進(jìn)制，理想輸出電壓由公式(V{OUT}=V{REF}×(D / 262,144))計(jì)算，其中D為加載到DAC寄存器的二進(jìn)制代碼的十進(jìn)制等效值，范圍從0到262,143。

（二）電阻串

電阻串由一系列阻值為R的電阻組成，加載到DAC寄存器的代碼決定了從電阻串的哪個(gè)節(jié)點(diǎn)提取電壓并輸入到輸出放大器。由于是電阻串結(jié)構(gòu)，保證了單調(diào)性。

（三）輸出放大器

輸出緩沖放大器能夠產(chǎn)生軌到軌的輸出電壓，輸出范圍為0V至(V{DD})。其增益為2，通過反饋路徑中的50kΩ電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。輸出放大器的反相輸入可供用戶使用，支持遠(yuǎn)程傳感，正常工作時(shí)(V{FB})引腳必須連接到(V_{OUT})。它可以驅(qū)動2kΩ與1000pF并聯(lián)到地的負(fù)載，壓擺率為1.5V/μs，1/4至3/4滿量程建立時(shí)間為10μs。

（四）插值器架構(gòu)

AD5680包含一個(gè)16位DAC和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器及插值器。通過插值器將16位DAC產(chǎn)生的1 LSB步長的電壓細(xì)分，將分辨率提高到18位。18位輸入代碼分為16位DAC代碼和2位插值器代碼，插值器代碼決定了切換的占空比，從而確定18位代碼的電平。

（五）串行接口

采用3線串行接口（SYNC、SCLK和DIN），兼容多種接口標(biāo)準(zhǔn)。寫序列從將SYNC線拉低開始，數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿時(shí)鐘輸入到24位移位寄存器。串行時(shí)鐘頻率最高可達(dá)30MHz，在第24個(gè)下降沿，最后一位數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入并執(zhí)行編程功能。SYNC線在下次寫序列前必須拉高至少33ns。

（六）輸入移位寄存器

輸入移位寄存器為24位，前兩位為無關(guān)位，DB21和DB20為保留位應(yīng)設(shè)為0，接下來的18位為數(shù)據(jù)位，后面還有兩位無關(guān)位，這些數(shù)據(jù)在SCLK的第24個(gè)下降沿傳輸?shù)紻AC寄存器。

（七）SYNC中斷

在正常寫序列中，SYNC線應(yīng)保持低電平至少24個(gè)SCLK下降沿，DAC在第24個(gè)下降沿更新。若SYNC在第24個(gè)下降沿之前拉高，則作為寫序列的中斷，移位寄存器復(fù)位，寫序列無效。

（八）上電復(fù)位

AD5680家族包含上電復(fù)位電路，AD5680 - 1上電輸出為0V，AD5680 - 2上電輸出為中間刻度，直到對DAC進(jìn)行有效寫序列操作。

四、微處理器接口

（一）與Blackfin ADSP - BF53x接口

通過SPORT0連接，DT0PRI驅(qū)動AD5680的DIN引腳，TSCLK0驅(qū)動SCLK，SYNC由TFS0驅(qū)動。

（二）與68HC11/68L11接口

68HC11/68L11的SCK驅(qū)動AD5680的SCLK，MOSI輸出驅(qū)動DAC的串行數(shù)據(jù)線，SYNC信號由端口線（PC7）提供。

五、應(yīng)用領(lǐng)域

1. 閉環(huán)過程控制：高精度和穩(wěn)定性使其能夠精確控制過程變量，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。
2. 低帶寬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：可將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，用于數(shù)據(jù)采集和處理。
3. 便攜式電池供電儀器：低功耗和小封裝特性使其成為便攜式設(shè)備的理想選擇。
4. 增益和偏移調(diào)整：能夠精確調(diào)整增益和偏移，提高系統(tǒng)的性能。
5. 精密設(shè)定點(diǎn)控制：可實(shí)現(xiàn)對設(shè)定點(diǎn)的精確控制，滿足高精度控制需求。

六、總結(jié)

AD5680以其高分辨率、高精度、低功耗、小封裝等優(yōu)點(diǎn)，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越的性能。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，可根據(jù)具體需求充分發(fā)揮其特性，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)模轉(zhuǎn)換。同時(shí)，在使用過程中要嚴(yán)格遵守其技術(shù)參數(shù)和工作條件，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似DAC的使用問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。