深入剖析DAC082S085：8位微功耗雙數(shù)模轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）猶如一座橋梁，連接著數(shù)字世界與模擬世界。今天，我們將深入探討一款性能卓越的DAC——DAC082S085，它由德州儀器（TI）精心打造，具備諸多令人矚目的特性，適用于各種對(duì)功耗和性能有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)景。

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1. 器件概述

DAC082S085是一款功能完備、用途廣泛的雙路8位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它能夠在2.7V至5.5V的單電源下穩(wěn)定工作，在3V供電時(shí)功耗僅為0.6mW，5V供電時(shí)也不過(guò)1.6mW，堪稱低功耗設(shè)計(jì)的典范。該器件采用10引腳SON和VSSOP封裝，其中10引腳WSON封裝使其成為同類產(chǎn)品中體積最小的雙路DAC，為空間受限的設(shè)計(jì)提供了理想解決方案。

2. 關(guān)鍵特性

2.1 性能卓越

• 分辨率與單調(diào)性：擁有8位分辨率，確保了輸出的精度和穩(wěn)定性，同時(shí)保證了單調(diào)性，即輸入代碼增加時(shí)，輸出電壓不會(huì)降低。
• 線性度：積分非線性（INL）最大為±0.5 LSB，差分非線性（DNL）在-0.13至0.18 LSB之間，有效減少了輸出誤差，提高了轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。
• 建立時(shí)間：最大建立時(shí)間為4.5μs，能夠快速響應(yīng)輸入信號(hào)的變化，滿足實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用。

2.2 輸出特性

• 軌到軌輸出：片上輸出放大器支持軌到軌輸出擺幅，輸出電壓范圍為0至參考電壓，提供了更寬的動(dòng)態(tài)范圍。
• 驅(qū)動(dòng)能力：能夠驅(qū)動(dòng)2kΩ并聯(lián)1500pF的負(fù)載到地或電源，滿足多種負(fù)載需求。

2.3 接口優(yōu)勢(shì)

• 高速串行接口：三線串行接口在整個(gè)電源電壓范圍內(nèi)時(shí)鐘速率最高可達(dá)40MHz，相比競(jìng)品在2.7V至3.6V電源電壓范圍內(nèi)僅25MHz的時(shí)鐘速率，具有明顯優(yōu)勢(shì)。
• 兼容性強(qiáng)：與標(biāo)準(zhǔn)SPI?、QSPI、MICROWIRE和DSP接口兼容，方便與各種微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器連接。

2.4 低功耗設(shè)計(jì)

• 正常工作功耗低：在3V和5V供電時(shí)的典型功耗分別為0.6mW和1.6mW，有效降低了系統(tǒng)功耗。
• 掉電模式：具備掉電模式，在3V和5V供電時(shí)的掉電功耗分別低至0.3μW和0.8μW，進(jìn)一步節(jié)省能源。

3. 應(yīng)用領(lǐng)域

DAC082S085的低功耗、小封裝和高性能特點(diǎn)使其在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如：

• 電池供電儀器：如便攜式醫(yī)療設(shè)備、手持測(cè)試儀器等，低功耗特性延長(zhǎng)了電池續(xù)航時(shí)間。
• 可編程電壓和電流源：為電路提供精確的電壓和電流輸出，滿足不同應(yīng)用的需求。
• 可編程衰減器：實(shí)現(xiàn)信號(hào)的精確衰減控制。

4. 詳細(xì)解析

4.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

DAC082S085采用CMOS工藝制造，其架構(gòu)由開關(guān)和電阻串組成，后面跟隨輸出緩沖器。參考電壓通過(guò)VREFIN引腳外部施加，由兩個(gè)DAC共享。電阻串由256個(gè)等值電阻組成，每個(gè)電阻節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)開關(guān)，通過(guò)加載到DAC寄存器的代碼控制開關(guān)閉合，從而連接相應(yīng)節(jié)點(diǎn)到放大器，實(shí)現(xiàn)數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換。

4.2 輸出放大器

輸出放大器為軌到軌類型，當(dāng)參考電壓為電源電壓時(shí)，輸出電壓范圍為0至電源電壓。不過(guò)，在輸出接近電源軌時(shí)，放大器的線性度會(huì)有所下降，因此線性度指標(biāo)通常在小于DAC全輸出范圍的區(qū)間內(nèi)規(guī)定。該放大器能夠驅(qū)動(dòng)特定負(fù)載，其零代碼和滿量程輸出在不同負(fù)載電流下的參數(shù)可在電氣特性部分查看。

4.3 參考電壓

DAC082S085使用單個(gè)外部參考電壓，由兩個(gè)通道共享。VREFIN引腳未經(jīng)過(guò)緩沖，輸入阻抗為60kΩ，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1V至電源電壓，以提供最大的輸出動(dòng)態(tài)范圍。

4.4 上電復(fù)位

上電復(fù)位電路在電源上電時(shí)控制兩個(gè)DAC的輸出電壓。上電后，DAC寄存器被清零，輸出電壓為0V，直到對(duì)DAC進(jìn)行有效寫操作。

4.5 電源關(guān)斷模式

DAC082S085具備四種電源關(guān)斷模式，其中兩種模式相同。在電源關(guān)斷模式下，偏置發(fā)生器、輸出放大器、電阻串和其他線性電路均被關(guān)閉，但DAC寄存器的內(nèi)容不受影響。通過(guò)將SYNC和DIN置低、禁用SCLK，可實(shí)現(xiàn)最低功耗。退出電源關(guān)斷模式的喚醒時(shí)間在時(shí)序要求中有詳細(xì)說(shuō)明。

4.6 編程方法

4.6.1 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)40MHz。寫操作從將SYNC線拉低開始，此時(shí)DIN線上的數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿被時(shí)鐘輸入到16位串行輸入寄存器。在第16個(gè)下降沿，最后一位數(shù)據(jù)被時(shí)鐘輸入，編程功能執(zhí)行。SYNC線可保持低電平或拉高，但在下次寫操作前必須拉高至規(guī)定的最小時(shí)間。為降低功耗，SYNC和DIN在寫操作之間應(yīng)置低。

4.6.2 輸入移位寄存器

輸入移位寄存器有16位，第一位必須置0，第二位為地址位，用于確定寄存器數(shù)據(jù)是針對(duì)DAC A還是DAC B。后續(xù)兩位決定操作模式，最后12位為數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)格式為直二進(jìn)制，最高有效位（MSB）在前。

4.6.3 與微處理器和DSP的接口

• ADSP - 2101/ADSP2103：DSP需設(shè)置為SPORT傳輸交替幀模式，通過(guò)SPORT控制寄存器編程，配置為內(nèi)部時(shí)鐘操作、低電平有效幀和16位字長(zhǎng)。
• 80C51/80L51：SYNC信號(hào)來(lái)自微控制器的位可編程引腳，由于該微控制器傳輸8位字節(jié)，需分兩次寫操作完成數(shù)據(jù)加載，且要注意數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈豁樞颉?/li>
• 68HC11：SYNC線由端口線驅(qū)動(dòng)，該微控制器需將CPOL位設(shè)為0，CPHA位設(shè)為1，以確保數(shù)據(jù)在SCLK下降沿有效。同樣需要分兩次寫操作完成數(shù)據(jù)加載。
• Microwire接口：Microwire設(shè)備的SK信號(hào)需反相后驅(qū)動(dòng)DAC082S085的SCLK。

5. 應(yīng)用案例：雙極性操作

雖然DAC082S085設(shè)計(jì)為單電源操作，輸出為單極性，但通過(guò)特定電路可實(shí)現(xiàn)雙極性輸出。例如，使用圖35所示電路可獲得±5V的輸出電壓范圍，此時(shí)需使用軌到軌放大器。該電路的輸出電壓計(jì)算公式為VO = (VA × D / 256) × ((R1 + R2) / R1) - VA × R2 / R1 ，其中D為十進(jìn)制輸入代碼。同時(shí)，文檔還列出了適合該應(yīng)用的一些軌到軌放大器。

6. 電源供應(yīng)建議

由于DAC082S085從參考輸入到輸出的電源抑制比（PSRR）幾乎為零，因此需要為VREFIN提供無(wú)噪聲的電源電壓。為充分利用DAC的動(dòng)態(tài)范圍，可將電源引腳和參考輸入連接到同一電源。此外，還可以使用一些參考源作為電源，如LM4130、LM4050、LP3985和LP2980等，不同參考源具有不同的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景，在選擇時(shí)需根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行考慮。

7. 布局要點(diǎn)

為實(shí)現(xiàn)最佳精度和最低噪聲，在印刷電路板（PCB）布局時(shí)，應(yīng)將模擬和數(shù)字區(qū)域分開，通過(guò)模擬和數(shù)字電源平面的位置來(lái)定義這兩個(gè)區(qū)域，且兩個(gè)平面應(yīng)位于同一電路板層。建議使用單個(gè)接地平面，若數(shù)字返回電流不流經(jīng)模擬接地區(qū)域，可采用圍欄技術(shù)防止模擬和數(shù)字接地電流混合；若圍欄技術(shù)不適用，則使用單獨(dú)的接地平面，但需在靠近DAC082S085的位置連接。同時(shí)，要注意避免模擬和數(shù)字信號(hào)交叉，將時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線布在元件面，并控制其阻抗。此外，DAC082S085的電源需使用10μF和0.1μF的電容進(jìn)行旁路，且0.1μF電容應(yīng)盡可能靠近器件的電源引腳。

總結(jié)

DAC082S085以其低功耗、高性能、小封裝和豐富的功能特性，為電子工程師在設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。無(wú)論是在電池供電設(shè)備還是對(duì)精度和速度有要求的應(yīng)用中，它都能展現(xiàn)出出色的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體需求，合理選擇電源供應(yīng)方案、進(jìn)行PCB布局，并掌握正確的編程方法，以充分發(fā)揮該器件的優(yōu)勢(shì)。你在使用DAC082S085或類似器件時(shí)遇到過(guò)哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。