在電子工程師的日常工作中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）是至關(guān)重要的組件。今天，我們要深入探討的是TI公司的DAC101S101和DAC101S101 - Q1這兩款10位微功耗數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它們在諸多方面展現(xiàn)出了出色的性能。

文件下載：dac101s101.pdf

一、關(guān)鍵特性解析

1. 高可靠性與廣泛適用性

DAC101S101 - Q1通過了AEC - Q100 Grade 1認(rèn)證，采用汽車級生產(chǎn)流程，這意味著它能在汽車等對可靠性要求極高的環(huán)境中穩(wěn)定工作。同時(shí)，它確保了單調(diào)性，在輸出代碼增加時(shí)，輸出電壓不會(huì)降低，為系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供了保障。

2. 低功耗與寬工作范圍

該轉(zhuǎn)換器具有低功耗的特點(diǎn)，正常模式下，在3.6V時(shí)功耗僅為0.63mW，5.5V時(shí)為1.41mW；進(jìn)入掉電模式后，功耗更是大幅降低，3.6V時(shí)為0.14μW，5.5V時(shí)為0.33μW。其寬電源電壓范圍為2.7V至5.5V，能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境；工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C（DAC101S101 - Q1）或 - 40°C至 + 105°C（DAC101S101），可在惡劣的溫度條件下正常工作。

3. 出色的輸出性能

它支持軌到軌電壓輸出，輸出擺幅能達(dá)到電源電壓范圍。輸出建立時(shí)間典型值為8μs，能快速響應(yīng)輸入信號的變化。分辨率為10位，DNL典型值為 + 0.15、 - 0.05 LSB，積分非線性（INL）在規(guī)定范圍內(nèi)表現(xiàn)良好，能提供較為精確的模擬輸出。

二、豐富的應(yīng)用場景

1. 電池供電設(shè)備

由于其低功耗和小封裝的特點(diǎn)，DAC101S101非常適合用于電池供電的儀器，如便攜式測量設(shè)備、手持終端等，能有效延長電池的使用時(shí)間。

2. 增益和偏移調(diào)整

可用于數(shù)字增益和偏移調(diào)整，在需要精確控制模擬信號增益和偏移的電路中發(fā)揮重要作用，例如音頻放大器的增益調(diào)整、傳感器信號的偏移校準(zhǔn)等。

3. 可編程電源和衰減器

作為可編程電壓和電流源，能根據(jù)需求靈活調(diào)整輸出的電壓和電流；在可編程衰減器中，可實(shí)現(xiàn)對信號幅度的精確控制。

4. 汽車領(lǐng)域

DAC101S101 - Q1的汽車級認(rèn)證使其能在汽車電子系統(tǒng)中可靠應(yīng)用，如汽車儀表、車載娛樂系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等。

三、詳細(xì)的功能描述

1. 工作原理與架構(gòu)

DAC101S101采用CMOS工藝制造，其架構(gòu)由電阻串和開關(guān)組成，后面跟隨一個(gè)輸出緩沖器。電源電壓作為參考電壓，輸入編碼為直二進(jìn)制，理想輸出電壓由公式 (V{OUT }=V{A} \times(D / 1024)) 計(jì)算得出，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，范圍在0到1023之間。

2. 功能模塊分析

• DAC部分：電阻串由1024個(gè)等值電阻串聯(lián)而成，每個(gè)電阻節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)開關(guān)，通過控制開關(guān)的閉合，將合適的節(jié)點(diǎn)連接到放大器，確保了DAC的單調(diào)性。
• 輸出放大器：為軌到軌類型，輸出電壓范圍為0V到 (V_{A}) 。不過，當(dāng)輸出接近電源軌時(shí)，放大器的線性度會(huì)有所下降，因此線性度在規(guī)定的輸出范圍內(nèi)進(jìn)行指定。
• 上電復(fù)位：上電復(fù)位電路確保DAC輸出在上電時(shí)為零伏，直到有有效的寫入操作。
• 掉電模式：通過控制寄存器中的兩個(gè)位（DB13和DB12），可設(shè)置四種工作模式。當(dāng)DB13和DB12都為0時(shí)，設(shè)備正常工作；其他三種組合可使設(shè)備進(jìn)入掉電模式，降低功耗，同時(shí)輸出可通過不同阻值的電阻接地或處于高阻態(tài)。

3. 編程與接口

• 串行接口：采用三線串行接口，與SPI、QSPI、MICROWIRE和大多數(shù)DSP接口兼容。寫序列從SYNC線拉低開始，數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿被時(shí)鐘輸入到16位移位寄存器，在第16個(gè)下降沿完成寫入操作。為降低功耗，SYNC和DIN線在寫序列之間應(yīng)保持低電平。
• 輸入移位寄存器：有16位，前兩位為“無關(guān)位”，隨后兩位決定工作模式，剩余位為數(shù)據(jù)位。在SCLK的第16個(gè)下降沿，移位寄存器的內(nèi)容被傳輸?shù)紻AC寄存器。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)案例

1. 雙極性輸出設(shè)計(jì)

雖然DAC101S101設(shè)計(jì)為單電源單極性輸出，但通過外部電路可實(shí)現(xiàn)雙極性輸出。例如，使用一個(gè)電路可獲得 ± 5V的輸出電壓范圍，此時(shí)需要使用雙電源為輸出放大器供電。

2. 電源選擇建議

由于DAC101S101以電源電壓作為參考電壓，對電源的噪聲要求較高。可以選擇一些低噪聲的參考源或穩(wěn)壓器作為電源，如LM4130、LM4050、LP3985和LP2980等。不同的電源有各自的特點(diǎn)和適用場景，在選擇時(shí)需要綜合考慮精度、穩(wěn)定性、輸出電壓范圍等因素。

五、布局與注意事項(xiàng)

1. 電路板布局

為保證最佳的精度和最小的噪聲，印刷電路板應(yīng)將模擬和數(shù)字區(qū)域分開，通過模擬和數(shù)字電源平面的位置來定義這兩個(gè)區(qū)域，且最好使用單一的接地平面。如果數(shù)字回流電流不流經(jīng)模擬接地區(qū)域，單一接地平面設(shè)計(jì)更佳；若有必要，可采用“圍欄”技術(shù)防止模擬和數(shù)字接地電流混合；當(dāng)“圍欄”技術(shù)不適用時(shí)，可使用分開的接地平面，但必須在一處連接，最好靠近DAC101S101。

2. 電源旁路

DAC101S101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)盡可能靠近設(shè)備的電源引腳，10μF電容可選用鉭電容，0.1μF電容應(yīng)選用低ESL、低ESR類型。

3. 信號布線

應(yīng)避免模擬和數(shù)字信號交叉，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線應(yīng)位于電路板的元件側(cè)，并控制其阻抗。

六、總結(jié)

DAC101S101和DAC101S101 - Q1數(shù)模轉(zhuǎn)換器憑借其低功耗、寬工作范圍、高可靠性和出色的輸出性能，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競爭力。作為電子工程師，在設(shè)計(jì)相關(guān)電路時(shí)，我們需要充分考慮其特性和要求，合理選擇電源、優(yōu)化布局布線，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。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。