在電子設(shè)計(jì)的廣闊領(lǐng)域中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）扮演著至關(guān)重要的角色，它能將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、汽車、便攜式設(shè)備等眾多領(lǐng)域。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）推出的DAC101C08xx系列10位微功耗數(shù)模轉(zhuǎn)換器，看看它有哪些獨(dú)特的特性和應(yīng)用場景。

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產(chǎn)品概述

DAC101C08xx系列包括DAC101C081、DAC101C081Q和DAC101C085三款產(chǎn)品。其中，DAC101C081是一款單通道、10位電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，工作電壓范圍為2.7V至5.5V。其輸出放大器支持軌到軌輸出擺幅，具有6μs的建立時間，以電源電壓為參考，可提供最寬的動態(tài)輸出范圍，在5.0V工作時典型功耗僅為132μA。該產(chǎn)品有6引腳SOT和WSON封裝可供選擇，并提供三種地址選項(xiàng)（引腳可選）。DAC101C081Q符合AEC Q100 Grade 1標(biāo)準(zhǔn)，適用于汽車級應(yīng)用。而DAC101C085則提供九種 (I^{2} C^{TM}) 尋址選項(xiàng)，并使用外部參考，性能和建立時間與DAC101C081相同，采用8引腳VSSOP封裝。

產(chǎn)品特性

高性能指標(biāo)

分辨率與單調(diào)性：具有10位分辨率，確保10位單調(diào)性，能夠提供精確的模擬輸出。

線性度：積分非線性（INL）最大為±2 LSB，差分非線性（DNL）最大為+0.3/-0.2 LSB，保證了輸出信號的線性度。

誤差指標(biāo)：零碼誤差最大為+10 mV，滿量程誤差最大為 -0.7 %FS，增益誤差最大為 -0.7 %FS，確保了輸出的準(zhǔn)確性。

低功耗設(shè)計(jì)

寬電源范圍：工作電源電壓范圍為2.7V至5.5V，適用于多種電源環(huán)境。

低功耗模式：在3.3V時最大功耗為156μA，具有三種電源關(guān)斷模式，關(guān)斷時電源電流可低至0.13μA（3V時）和0.15μA（5V時），非常適合電池供電的設(shè)備。

接口兼容性

(I^{2} C) 接口：支持標(biāo)準(zhǔn)（100kHz）、快速（400kHz）和高速（3.4MHz）三種模式的 (I^{2} C) 兼容2線接口，可與各種微控制器和處理器輕松連接。

封裝優(yōu)勢

小尺寸封裝：提供SOT、WSON和VSSOP等多種小尺寸封裝，節(jié)省電路板空間，適用于對空間要求較高的應(yīng)用。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

功能框圖

DAC101C08xx的功能框圖包括電源上電復(fù)位、參考、DAC寄存器、10位DAC、輸出緩沖器和 (I^{2} C) 接口等部分。其中，DAC101C081使用電源（VA）作為參考，而DAC101C085則使用外部參考（VREF）。

DAC部分

DAC部分采用單電阻串結(jié)構(gòu)，由1024個等值電阻組成，每個電阻節(jié)點(diǎn)都有一個開關(guān)，通過DAC寄存器加載的代碼來控制開關(guān)的閉合，從而將相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)連接到放大器。輸入編碼為直二進(jìn)制，理想輸出電壓為 (V{OUT }=V{REF } times(D / 1024)) ，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，范圍為0至1023。這種結(jié)構(gòu)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VA時，輸出電壓范圍為0V至VA。該放大器能夠驅(qū)動2kΩ與1500pF并聯(lián)的負(fù)載到地或VA，其零碼和滿量程輸出在給定負(fù)載電流下的參數(shù)可在電氣特性表中查詢。

參考電壓

DAC101C081使用電源（VA）作為參考，因此VA必須被視為參考電壓，建議使用低輸出阻抗的電壓源來驅(qū)動參考電壓。DAC101C085則帶有外部參考電源引腳（VREF），應(yīng)盡量保持VREF的干凈。在應(yīng)用信息部分，介紹了幾種適當(dāng)驅(qū)動參考電壓的方法。

電源上電復(fù)位

電源上電復(fù)位電路在電源上電時控制DAC的輸出電壓，上電后DAC寄存器填充為零，輸出電壓為0V，直到對DAC進(jìn)行有效的寫操作。在復(fù)位設(shè)備時，必須將VA電源降低到最大200mV，然后再升高電源以確保ADC按規(guī)定工作。

同時復(fù)位

廣播地址允許 (I^{2} C^{TM}) 主設(shè)備同時向多個DAC寫入單個字。只要所有DAC都在同一 (I^{2} C^{TM}) 總線上，使用廣播地址尋址總線時，每個DAC都會更新。這一特性允許主設(shè)備將共享 (I^{2} C^{TM}) 總線上的所有DAC復(fù)位到特定的數(shù)字代碼。

編程與通信協(xié)議

(I^{2} C) 接口

DAC101C08xx采用 (I^{2} C) 兼容的2線串行接口，支持標(biāo)準(zhǔn) - 快速模式（100kHz和400kHz）和高速模式（3.4MHz）。在使用時，SCL和SDA總線上需要上拉電阻或電流源，將總線拉高。邏輯零通過將輸出拉低來傳輸，邏輯高通過釋放輸出并允許其被外部上拉來傳輸。上拉電阻的合適值取決于總線總電容和工作速度。

基本 (I^{2} C) 協(xié)議

(I^{2} C) 接口是雙向的，允許多個設(shè)備在同一總線上工作。每個設(shè)備都有一個唯一的硬件地址，稱為“從地址”。主設(shè)備通過發(fā)送從地址并監(jiān)聽從設(shè)備的響應(yīng)（確認(rèn)位）來與特定設(shè)備通信。如果地址匹配，從設(shè)備會將SDA總線拉低以確認(rèn)（ACK）；如果地址不匹配，則讓SDA被拉高以不確認(rèn)（NACK）。在數(shù)據(jù)傳輸時，主設(shè)備寫入數(shù)據(jù)時，從設(shè)備在每個數(shù)據(jù)字節(jié)成功接收后ACK；主設(shè)備讀取數(shù)據(jù)時，主設(shè)備在每個數(shù)據(jù)字節(jié)接收后ACK，若不想繼續(xù)讀取，則在最后一個數(shù)據(jù)字節(jié)后NACK并在總線上創(chuàng)建停止條件。

標(biāo)準(zhǔn) - 快速模式

在標(biāo)準(zhǔn) - 快速模式下，主設(shè)備通過在SCL為高時將SDA從高拉低來生成起始條件，隨后發(fā)送7位從地址和讀寫位。如果地址匹配，DAC101C081會ACK主設(shè)備；如果不匹配，則NACK。寫操作時，主設(shè)備發(fā)送上8位數(shù)據(jù)，DAC101C081 ACK后，再發(fā)送下8位數(shù)據(jù)，DAC101C081再次ACK后，DAC輸出更新。讀操作時，DAC101C081發(fā)送上8位數(shù)據(jù)，主設(shè)備ACK后，再發(fā)送下8位數(shù)據(jù)，主設(shè)備在接收下8位數(shù)據(jù)后發(fā)送NACK，然后主設(shè)備生成停止條件或重復(fù)起始條件以結(jié)束或繼續(xù)通信。

高速（Hs）模式

在Hs模式下，通信開始的事件序列與標(biāo)準(zhǔn) - 快速模式略有不同?？偩€最初以標(biāo)準(zhǔn) - 快速模式運(yùn)行，主設(shè)備生成起始條件并發(fā)送8位Hs主代碼（00001XXX）到DAC101C081，DAC101C081以NACK響應(yīng)。當(dāng)SCL線被拉高后，主設(shè)備通過提高總線速度并生成重復(fù)起始條件（在SCL拉高時將SDA拉低）切換到Hs模式，然后發(fā)送從地址，通信繼續(xù)按照基本操作圖進(jìn)行。

(I^{2} C) 從（硬件）地址

DAC具有7位 (I^{2} C^{TM}) 從地址，由ADR0和ADR1地址選擇輸入配置。ADR0和ADR1可以接地、浮空或連接到VA，也可以設(shè)置為VA / 2。除了可選擇的從地址外，還有一個廣播地址（1001000），當(dāng)總線以廣播地址尋址時，所有DAC101C081和DAC101C085都會同步響應(yīng)和更新。需要注意的是，地址選擇輸入僅在DAC被正確尋址（非廣播地址）之前采樣，一旦尋址成功，ADR0和ADR1輸入將進(jìn)入三態(tài)，從地址被“鎖定”，除非設(shè)備電源循環(huán)，否則更改ADR0和ADR1不會更新所選從地址。

寫入和讀取DAC寄存器

寫入DAC寄存器：主設(shè)備以正確的從地址尋址DAC，并將讀寫位寫為“0”，如果尋址正確，DAC返回ACK。主設(shè)備先發(fā)送上數(shù)據(jù)字節(jié)，DAC響應(yīng)ACK后，再發(fā)送下數(shù)據(jù)字節(jié)，DAC再次ACK后，DAC輸出更新。主設(shè)備可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)、生成停止條件或重復(fù)起始條件。

讀取DAC寄存器：主設(shè)備以正確的從地址尋址DAC，并將讀寫位寫為“1”，如果尋址正確，DAC返回ACK。DAC發(fā)送上數(shù)據(jù)字節(jié)，主設(shè)備ACK后，再發(fā)送下數(shù)據(jù)字節(jié)。假設(shè)只讀取一個16位數(shù)據(jù)字，主設(shè)備在接收下數(shù)據(jù)字節(jié)后發(fā)送NACK，然后生成停止條件或重復(fù)起始條件。

應(yīng)用場景與設(shè)計(jì)實(shí)例

雙極性操作

DAC101C081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，例如使用一個運(yùn)算放大器和一些電阻組成的電路，可提供±5V的輸出電壓范圍。輸出電壓公式為 (V{O}=left(V{A} times(D / 1024) times((R 1+R 2) / R 1)-V{A} × R 2 / R 1right)) ，其中D為十進(jìn)制輸入代碼。當(dāng) (V{A}=5 ~V) 且 (R 1=R 2) 時， (V_{0}=(10 × D / 1024)-5 V) 。適合該應(yīng)用的軌到軌放大器有LMP7701、LMV841、LMC7111和LM7301等。

DSP/微處理器接口

2線總線接口：微控制器通過2線總線與DAC101C081連接時，需要選擇合適的上拉電阻（Rp）來創(chuàng)建適當(dāng)?shù)目偩€上升時間，并限制總線上開漏輸出設(shè)備吸收的電流。標(biāo)準(zhǔn) - 快速模式總線應(yīng)用中，典型的上拉電阻值為2kΩ至10kΩ。在DAC101C081附近的SCL和SDA串聯(lián)電阻（RS）是可選的，如果預(yù)計(jì)2線總線上會有高壓尖峰，則應(yīng)使用串聯(lián)電阻來過濾SDA和SCL上的電壓，RS通常為51Ω。

Hs模式總線接口：與標(biāo)準(zhǔn) - 快速模式總線接口類似，但在Hs模式下，SCL的指定上升時間縮短。為了實(shí)現(xiàn)更快的上升時間，主設(shè)備（微控制器）可以直接驅(qū)動SCL總線的高低電平，也可以減小上拉電阻的值或增加上拉電流以滿足更嚴(yán)格的時序要求。

壓力傳感器增益調(diào)整

在一個正電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需要對壓力傳感器的輸出進(jìn)行數(shù)字化處理，并通過DAC101C081調(diào)整偏置電壓來校正壓力傳感器輸出的增益誤差。壓力傳感器的輸出與電阻橋的不平衡和DAC101C081的輸出成正比，ADC161S626的輸出則是壓力傳感器輸出的函數(shù)，與ADC輸入和DAC101C081輸出電壓的比值有關(guān)。

電源供應(yīng)與布局建議

電源供應(yīng)

由于DAC101C08xx從參考輸入到輸出的電源抑制比（PSRR）幾乎為零，因此需要為參考電壓提供無噪聲的電源。DAC101C081功耗很低，可以使用參考源作為電源電壓。為確保準(zhǔn)確性，VA和VREF必須進(jìn)行良好的旁路處理。以下是幾種適合DAC101C081的參考和電源選項(xiàng)：

LM4132：溫度精度為0.05%，4.096V版本適用于0至4.095V輸出范圍的應(yīng)用。通過在 (V{IN }) 引腳和 (V{OUT}) 引腳分別旁路0.1μF和2.2μF的電容，可以提高穩(wěn)定性并降低輸出噪聲。

LM4050：分流參考，精度為0.44%，有4.096V和5V版本。使用時需要選擇合適的電阻值，以確保通過LM4050的最大電流不超過15mA，并且LM4050能夠獲得足夠的最小電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。

LP3985：低噪聲、超低壓差電壓調(diào)節(jié)器，溫度精度為3%，有3.0V、3.3V和5V版本。輸入需要1.0μF的電容，輸出需要1.0μF的陶瓷電容，且ESR要求為5mΩ至500mΩ。

LP2980：超低壓差調(diào)節(jié)器，根據(jù)等級不同，溫度精度為0.5%或1.0%，有3.0V、3.3V和5V版本。需要在輸出端連接至少1.0μF的電容以確保環(huán)路穩(wěn)定性，2.2μF或更大的電容會提供更好的性能，電容的ESR應(yīng)在LP2980數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的范圍內(nèi)。

布局建議

為了獲得最佳的準(zhǔn)確性和最小的噪聲，包含DAC101C08xx的印刷電路板需要劃分模擬和數(shù)字區(qū)域，由模擬和數(shù)字電源平面的位置來定義。兩個平面應(yīng)位于同一板層，并且最好使用單個接地平面。如果數(shù)字返回電流不流經(jīng)模擬接地區(qū)域，單個接地平面設(shè)計(jì)是首選；如果需要，也可以使用單獨(dú)的接地平面，但必須在一處連接，最好靠近DAC101C08xx。此外，應(yīng)避免模擬和數(shù)字信號交叉，將時鐘和數(shù)據(jù)線放在電路板的元件側(cè)，并確保它們具有受控的阻抗。DAC101C08xx的電源應(yīng)使用4.7μF和0.1μF的電容進(jìn)行旁路，0.1μF的電容應(yīng)盡可能靠近設(shè)備的電源引腳。

總結(jié)

DAC101C08xx系列10位微功耗數(shù)模轉(zhuǎn)換器以其高性能、低功耗、小尺寸和 (I^{2} C) 接口兼容性等優(yōu)點(diǎn)，成為了眾多應(yīng)用場景的理想選擇。無論是工業(yè)過程控制、便攜式儀器、可編程電壓和電流源，還是汽車電子等領(lǐng)域，DAC101C08xx都能發(fā)揮出其獨(dú)特的優(yōu)勢。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇電源供應(yīng)和布局方案，以確保DAC101C08xx的性能得到充分發(fā)揮。希望通過本文的介紹，能讓大家對DAC101C08xx有更深入的了解，為電子設(shè)計(jì)工作提供有益的參考。

你在使用DAC101C08xx的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)？歡迎在評論區(qū)分享交流！