在電子設(shè)計領(lǐng)域，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）是連接數(shù)字世界與模擬世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的DAC101C08xx系列10位微功耗數(shù)模轉(zhuǎn)換器，包括DAC101C081、DAC101C081Q和DAC101C085，詳細解析它們的特性、應(yīng)用、技術(shù)參數(shù)以及設(shè)計要點。

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一、產(chǎn)品概述

DAC101C081是一款10位、單通道、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。該器件以電源電壓作為參考，提供了最寬的動態(tài)輸出范圍，在5.0V工作時典型功耗僅為132μA。DAC101C081有6引腳SOT和WSON封裝可供選擇，并提供三種地址選項（引腳可選）。

DAC101C081Q是符合AEC Q100 Grade 1標準的汽車級產(chǎn)品，采用汽車級工藝流程制造。而DAC101C085則提供九種 (I^{2} C^{TM}) 尋址選項，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。

二、產(chǎn)品特性

2.1 高性能指標

• 分辨率：10位分辨率確保了較高的轉(zhuǎn)換精度。
• 單調(diào)性：保證10位的單調(diào)性，輸出電壓隨輸入代碼單調(diào)變化。
• 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。
• 建立時間：輸出電壓建立時間最大為6μs，能夠快速響應(yīng)輸入代碼的變化。

2.2 低功耗設(shè)計

• 在3.3V時最大功耗為156μA，正常工作時功耗低，適合電池供電設(shè)備。
• 具有三種電源關(guān)斷模式，關(guān)斷時功耗極低，3V時典型電流為0.13μA，5V時為0.15μA。

2.3 寬電源范圍

支持2.7V至5.5V的電源電壓范圍，增強了產(chǎn)品的適應(yīng)性和靈活性。

2.4 (I^{2} C) 接口兼容性

采用2線 (I^{2} C) 兼容串行接口，支持標準（100kHz）、快速（400kHz）和高速（3.4MHz）模式，方便與各種微控制器和數(shù)字系統(tǒng)進行通信。

2.5 小封裝尺寸

提供多種小型封裝選項，如SOT、WSON和VSSOP，節(jié)省電路板空間，適用于緊湊型設(shè)計。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 工業(yè)過程控制

在工業(yè)自動化系統(tǒng)中，用于精確控制模擬信號，如調(diào)節(jié)電機速度、控制閥門開度等。

3.2 便攜式儀器

由于其低功耗和小封裝特性，非常適合用于便攜式醫(yī)療設(shè)備、測試儀器等，延長電池續(xù)航時間。

3.3 數(shù)字增益和偏移調(diào)整

可用于調(diào)整信號的增益和偏移，提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

3.4 可編程電壓和電流源

為電路提供可編程的電壓和電流輸出，滿足不同的應(yīng)用需求。

3.5 汽車電子

DAC101C081Q符合汽車級標準，可應(yīng)用于汽車電子系統(tǒng)，如發(fā)動機控制、車載娛樂系統(tǒng)等。

四、技術(shù)參數(shù)詳解

4.1 絕對最大額定值

• 電源電壓：-0.3V至6.5V
• 輸入引腳電壓：-0.3V至6.5V
• 輸入電流：任何引腳最大±10mA，封裝輸入電流最大±20mA
• 工作結(jié)溫：最高150°C
• 存儲溫度：-65°C至150°C

4.2 ESD評級

不同封裝的DAC在人體模型（HBM）、帶電設(shè)備模型（CDM）和機器模型（MM）下具有不同的ESD耐壓值，一般在±250V至±5000V之間。

4.3 推薦工作條件

• 工作溫度范圍：-40°C至125°C
• 電源電壓：2.7V至5.5V
• 參考電壓：1V至 (V_{A})
• 數(shù)字輸入電壓：0V至5.5V
• 輸出負載：最大1500pF

4.4 電氣特性

涵蓋靜態(tài)性能、模擬輸出特性、參考輸入特性、邏輯輸入輸出特性以及電源要求等多個方面。例如，靜態(tài)性能中的分辨率為10位，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；模擬輸出特性中，輸出電壓范圍為0V至 (V{A}) （DAC101C081）或0V至 (V{REF}) （DAC101C085）。

4.5 AC和時序特性

• 輸出電壓建立時間：最大6μs
• 輸出壓擺率：1V/μs
• 毛刺脈沖：代碼從200h到1FFh變化時為12nV - sec
• 數(shù)字饋通：0.5nV - sec
• 乘法帶寬：160kHz
• 總諧波失真：70dB

五、詳細工作原理

5.1 DAC部分

DAC101C08xx采用CMOS工藝制造，其核心由開關(guān)和電阻串組成，后面跟隨一個輸出緩沖器。電阻串由1024個等值電阻組成，每個電阻節(jié)點都有一個開關(guān)，通過加載到DAC寄存器的代碼來控制開關(guān)的閉合，從而選擇合適的節(jié)點連接到放大器。理想輸出電壓計算公式為 (V{OUT }=V{REF } times(D / 1024)) ，其中D為加載到DAC寄存器的二進制代碼的十進制等效值，范圍為0至1023。

5.2 輸出放大器

輸出放大器為軌到軌放大器，當參考電壓為 (V{A}) 時，輸出電壓范圍為0V至 (V{A}) 。雖然軌到軌放大器在接近電源軌時會出現(xiàn)線性度損失，但在一定范圍內(nèi)仍能保證良好的線性度。該放大器能夠驅(qū)動2kΩ并聯(lián)1500pF的負載到地或 (V_{A}) 。

5.3 參考電壓

DAC101C081以電源 (V{A}) 作為參考，因此需要將 (V{A}) 視為參考電壓，建議使用低輸出阻抗的電壓源驅(qū)動。DAC101C085則使用外部參考電源引腳 (V{REF}) ，應(yīng)確保 (V{REF}) 盡可能干凈。

5.4 上電復位

上電復位電路在電源上電時控制DAC的輸出電壓，使DAC寄存器初始化為零，輸出電壓為0V，直到對DAC進行有效的寫操作。

5.5 同步復位

通過廣播地址， (I^{2} C) 主設(shè)備可以同時向多個DAC寫入單個字，實現(xiàn)多個DAC的同步復位或更新。

5.6 額外時序信息 (t_{outz})

(t{outz}) 是為了輔助 (I^{2} C) 總線設(shè)計而提供的參數(shù)。當 (I^{2} C) 主設(shè)備將SCL總線拉低后，DAC101C081會在短時間內(nèi)保持SDA總線，這個時間即為 (t{outz}) 。在標準 - 快速模式下， (t_{outz}) 典型值為87nsec；在高速模式下，典型值為38nsec。

六、編程與通信

6.1 串行接口

采用 (I^{2} C) 兼容接口，支持標準（100kHz）、快速（400kHz）和高速（3.4MHz）模式。SCL和SDA總線需要外部上拉電阻或電流源，將總線拉高。邏輯0通過將輸出拉低傳輸，邏輯1通過釋放輸出并允許外部上拉傳輸。

6.2 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)備有一個唯一的硬件地址，即“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)（ACK或NACK）來與特定設(shè)備進行通信。數(shù)據(jù)傳輸時，主設(shè)備寫數(shù)據(jù)時，從設(shè)備在每個數(shù)據(jù)字節(jié)成功接收后發(fā)送ACK；主設(shè)備讀數(shù)據(jù)時，主設(shè)備在每個數(shù)據(jù)字節(jié)接收后發(fā)送ACK或NACK來控制數(shù)據(jù)傳輸。

6.3 不同模式下的通信流程

• 標準 - 快速模式：主設(shè)備通過在SCL為高時將SDA從高拉低產(chǎn)生起始條件，然后發(fā)送7位從地址和讀寫位。如果地址匹配，從設(shè)備發(fā)送ACK，主設(shè)備繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)；否則，從設(shè)備發(fā)送NACK。
• 高速模式：總線最初在標準 - 快速模式下運行，主設(shè)備發(fā)送8位高速主代碼（00001XXX），從設(shè)備響應(yīng)NACK。然后主設(shè)備提高總線速度并產(chǎn)生重復起始條件，切換到高速模式，繼續(xù)發(fā)送從地址進行通信。

6.4 (I^{2} C) 從地址配置

DAC具有7位 (I^{2} C) 從地址，通過ADR0和ADR1地址選擇輸入進行配置。ADR0和ADR1可以接地、浮空或連接到 (V{A}) ，也可以設(shè)置為 (V{A} / 2) 。此外，還有一個廣播地址（1001000），所有DAC101C081和DAC101C085在總線上被廣播地址尋址時會同步響應(yīng)和更新。

6.5 讀寫操作

• 寫操作：主設(shè)備發(fā)送正確的從地址和寫位，從設(shè)備響應(yīng)ACK后，主設(shè)備依次發(fā)送上8位和下8位數(shù)據(jù)，從設(shè)備在每個數(shù)據(jù)字節(jié)接收后發(fā)送ACK，最后DAC輸出更新。
• 讀操作：主設(shè)備發(fā)送正確的從地址和讀位，從設(shè)備響應(yīng)ACK后，依次發(fā)送上8位和下8位數(shù)據(jù)，主設(shè)備在接收每個數(shù)據(jù)字節(jié)后發(fā)送ACK，最后主設(shè)備發(fā)送NACK并產(chǎn)生停止條件結(jié)束通信。

七、應(yīng)用設(shè)計案例

7.1 雙極性操作

DAC101C081原本為單電源設(shè)計，輸出為單極性。但通過外部電路可以實現(xiàn)雙極性輸出，例如使用一個由電阻和放大器組成的電路，可提供±5V的輸出電壓范圍。輸出電壓計算公式為 (V{O}=left(V{A} times(D / 1024) times((R 1+R 2) / R 1)-V_{A} × R 2 / R 1right)) ，其中D為輸入代碼的十進制形式。

7.2 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，需要選擇合適的上拉電阻（Rp）來確保總線的上升時間和限制電流。在標準 - 快速模式下，典型的上拉電阻值為2kΩ至10kΩ。SCL和SDA總線靠近DAC101C081的串聯(lián)電阻（ (R_{S}) ）可選，用于過濾總線上的高壓尖峰。
• 高速模式總線接口：與標準 - 快速模式類似，但需要滿足更嚴格的時序要求。主設(shè)備可以直接驅(qū)動SCL總線，或者減小上拉電阻值或增加上拉電流來加快總線的上升時間。

7.3 壓力傳感器增益調(diào)整

在一個僅使用正電源的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，DAC101C081可用于校正壓力傳感器輸出的增益誤差。系統(tǒng)通過調(diào)整橋接壓力傳感器的偏置電壓來實現(xiàn)增益校正，壓力傳感器輸出與DAC輸出以及電阻橋的不平衡有關(guān)，ADC輸出則是壓力傳感器輸出的函數(shù)。

八、電源供應(yīng)建議

由于DAC101C08xx從參考輸入到輸出的電源抑制比（PSRR）幾乎為零，因此需要提供無噪聲的電源電壓?？梢允褂脜⒖荚醋鳛殡娫矗鏛M4132、LM4050等，也可以使用一些低噪聲穩(wěn)壓器，如LP3985、LP2980等。同時，需要對 (V{A}) 和 (V{REF}) 進行良好的旁路處理，以確保精度。

九、布局設(shè)計要點

為了獲得最佳的精度和最小的噪聲，PCB設(shè)計需要將模擬和數(shù)字區(qū)域分開，采用單獨的模擬和數(shù)字電源平面，并使用單個接地平面。如果數(shù)字回流電流不流經(jīng)模擬接地區(qū)域，建議使用單個接地平面，并采用圍欄技術(shù)防止模擬和數(shù)字接地電流混合。在必要時，可以使用分開的接地平面，但必須在一處連接，最好靠近DAC101C081。

此外，DAC101C081的電源需要使用4.7μF和0.1μF的電容進行旁路，盡可能靠近設(shè)備，其中0.1μF電容應(yīng)直接連接到設(shè)備的電源引腳。應(yīng)避免模擬和數(shù)字信號交叉，將時鐘和數(shù)據(jù)線布置在電路板的元件側(cè)，并控制其阻抗。

十、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、小封裝和豐富的接口功能，在工業(yè)控制、便攜式儀器、汽車電子等多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。電子工程師在設(shè)計過程中，需要深入理解其工作原理、技術(shù)參數(shù)和應(yīng)用要點，合理選擇電源、進行布局設(shè)計，以充分發(fā)揮該系列DAC的優(yōu)勢，實現(xiàn)高質(zhì)量的電子系統(tǒng)設(shè)計。

你在使用DAC101C08xx進行設(shè)計時遇到過哪些問題？或者你對該系列DAC的應(yīng)用有什么獨特的見解？歡迎在評論區(qū)分享交流！