在電子設(shè)計領(lǐng)域，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）是連接數(shù)字世界和模擬世界的關(guān)鍵橋梁。今天我們要深入探討的是德州儀器（Texas Instruments）的Burr - Brown產(chǎn)品線中的一款優(yōu)秀產(chǎn)品——DAC8801，一款14位串行輸入乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

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一、DAC8801的特性亮點

高精度與低噪聲

DAC8801具備14位單調(diào)性，±1 LSB的積分非線性（INL）和±0.5 LSB的微分非線性（DNL），確保了高精度的轉(zhuǎn)換。同時，其低噪聲特性表現(xiàn)出色，僅為12 nV/√Hz，能有效減少信號干擾，為對噪聲敏感的應(yīng)用提供了可靠保障。

低功耗與寬電源范圍

該轉(zhuǎn)換器的功耗極低，正常工作電流$I_{DD}$僅為2 μA。而且支持+2.7 V至+5.5 V的模擬電源供電，這使得它在不同電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作，適用于各種低功耗和電池供電的應(yīng)用場景。

快速響應(yīng)與高帶寬

DAC8801的建立時間僅為0.5 μs，能夠快速響應(yīng)輸入信號的變化。其參考帶寬高達(dá)10 MHz，可處理高頻信號，并且支持±10 V的參考輸入，參考動態(tài)性能達(dá)到 - 105 THD，為系統(tǒng)提供了更寬的信號處理范圍。

便捷的接口與小巧封裝

采用3線50 - MHz串行接口，方便與微控制器連接，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。同時，它提供了Tiny 8 - Lead 3 x 3 mm SON和3 x 5 mm MSOP兩種小巧封裝，節(jié)省了電路板空間，并且采用了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引腳配置，便于設(shè)計和替換。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

DAC8801的高性能特點使其在多個領(lǐng)域都有出色的應(yīng)用表現(xiàn)：

• 自動測試設(shè)備（ATE）：在ATE系統(tǒng)中，需要高精度的模擬信號來測試各種電子器件。DAC8801的高精度和快速響應(yīng)特性能夠滿足ATE對信號精度和測試速度的要求。
• 儀器儀表：在各類儀器儀表中，如示波器、萬用表等，DAC8801可用于信號生成和校準(zhǔn)，確保儀器的測量精度和穩(wěn)定性。
• 數(shù)字控制校準(zhǔn)：在需要精確校準(zhǔn)的系統(tǒng)中，DAC8801可以根據(jù)數(shù)字信號生成精確的模擬校準(zhǔn)信號，實現(xiàn)對系統(tǒng)的精確控制和校準(zhǔn)。
• 工業(yè)控制PLC：在工業(yè)控制可編程邏輯控制器（PLC）中，DAC8801可用于生成模擬控制信號，實現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備的精確控制。

三、技術(shù)細(xì)節(jié)剖析

工作原理

DAC8801采用R - 2R梯形結(jié)構(gòu)，其中三個最高有效位（MSBs）進(jìn)行了分段處理。每個2R支路可以切換到地（GND）或電流輸出端（$I{OUT}$）。通過外部I/V轉(zhuǎn)換器運算放大器，將DAC的輸出端保持在虛擬地電位。外部參考輸入$V{REF}$決定了DAC的滿量程電流，R - 2R梯形網(wǎng)絡(luò)對外部參考呈現(xiàn)5 kΩ ± 25%的與代碼無關(guān)的負(fù)載阻抗。外部參考電壓范圍為 - 10 V至10 V，可實現(xiàn)雙極性$I{OUT}$電流操作。當(dāng)使用外部I/V轉(zhuǎn)換器和DAC8801的$R{FB}$電阻時，DAC輸出電壓可由公式$V{OUT }=-V{REF } × \frac{CODE}{16384}$計算得出。

電氣特性

在電氣特性方面，DAC8801表現(xiàn)優(yōu)異。其輸出電流為2 mA，輸出電容與代碼相關(guān)，最大為50 pF。參考輸入范圍為 - 15 V至15 V，輸入電阻為5 kΩ，輸入電容為5 pF。邏輯輸入和輸出的參數(shù)也經(jīng)過精心設(shè)計，如輸入低電壓$V{IL}$在$V{DD}=2.7V$時為0.6 V，$V{DD}=5V$時為0.8 V；輸入高電壓$V{IH}$在$V{DD}=2.7V$時為2.1 V，$V{DD}=5V$時為2.4 V。接口時序方面，時鐘輸入頻率$f_{CLK}$可達(dá)50 MHz，確保了高速數(shù)據(jù)傳輸。

引腳功能

DAC8801的引腳功能明確，每個引腳都有其特定的作用：

• CLK：時鐘輸入，正邊沿觸發(fā)，將數(shù)據(jù)時鐘輸入到移位寄存器。
• SDI：串行寄存器輸入，數(shù)據(jù)以MSB優(yōu)先的方式直接加載到移位寄存器，多余的前導(dǎo)位將被忽略。
• RFB：內(nèi)部匹配反饋電阻，連接到外部運算放大器的輸出。
• VREF：DAC參考輸入引腳，確定DAC的滿量程電壓，輸入電阻與代碼無關(guān)。
• IOUT：DAC電流輸出，連接到外部精密I - V運算放大器的反相端。
• GND：模擬和數(shù)字地。
• VDD：正電源輸入，工作電壓范圍為2.7 V至5.5 V。
• CS：芯片選擇，低電平有效數(shù)字輸入，在上升沿將移位寄存器數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻AC寄存器。

四、典型應(yīng)用電路設(shè)計

穩(wěn)定性電路

在電流 - 電壓轉(zhuǎn)換設(shè)計中，為了確保電路的穩(wěn)定性，應(yīng)盡量縮短DAC8801電流輸出（$I_{OUT}$）與外部運算放大器反相端的連接距離，并遵循正確的PCB布局設(shè)計。由于每次代碼變化都會產(chǎn)生階躍函數(shù)，如果運算放大器的增益帶寬積（GBP）有限，且反相端的寄生電容過大，可能會導(dǎo)致增益峰值。因此，可在電路中添加一個補償電容C1（典型值為4 pF至20 pF）來防止增益峰值。

正電壓輸出電路

若要生成正電壓輸出，可將負(fù)參考輸入到DAC8801。這種設(shè)計比使用反相放大器來反轉(zhuǎn)輸出更優(yōu)，因為可以避免電阻公差誤差。對于負(fù)參考，可使用運算放大器將參考的$V_{OUT}$和GND電平轉(zhuǎn)換為虛擬地和 - 2.5 V輸入到DAC8801。

雙極性輸出電路

DAC8801作為2象限乘法DAC，可用于生成單極性輸出。但在一些需要全4象限乘法功能或雙極性輸出擺幅的應(yīng)用中，可添加外部運算放大器U4作為求和放大器，其增益為2X，將輸出范圍擴(kuò)展到5 V。通過對參考電壓施加2.5 V偏移來偏置U4，實現(xiàn)4象限乘法電路。輸入數(shù)據(jù)（D）從代碼0到滿量程可產(chǎn)生 - 2.5 V至2.5 V的輸出電壓。

可編程電流源電路

DAC8801還可集成到電路中實現(xiàn)改進(jìn)的Howland電流泵，用于精確的電壓 - 電流轉(zhuǎn)換。該電路具有雙向電流流動和高電壓合規(guī)性的特點，可應(yīng)用于4 mA至20 mA的電流變送器，負(fù)載可達(dá)500 Ω。通過匹配電阻網(wǎng)絡(luò)，可根據(jù)公式$I{L}=\frac{(R 2+R 3) / R 1}{R 3} × V{R E F} × D$計算負(fù)載電流。

五、選型與注意事項

選型參考

DAC8801提供了不同的封裝和訂購選項，如MSOP - 8和SON - 8封裝，用戶可根據(jù)實際應(yīng)用需求選擇合適的封裝和溫度范圍。同時，文檔中還提供了交叉參考信息，方便用戶進(jìn)行產(chǎn)品替換和升級。

ESD防護(hù)

由于該集成電路容易受到靜電放電（ESD）的損壞，在處理和安裝DAC8801時，必須采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，如使用防靜電設(shè)備和遵循正確的操作流程，以避免ESD對器件造成性能下降或完全失效。

電路補償

在可編程電流源電路中，不建議消除電路補償電容C1，因為輸出阻抗$z_{0}$的變化可能會導(dǎo)致振蕩問題。通過引入C1，可有效消除可能的振蕩問題，對于大多數(shù)應(yīng)用，建議使用幾個pF的電容值。

DAC8801憑借其高精度、低噪聲、低功耗和高帶寬等優(yōu)異特性，以及豐富的應(yīng)用電路設(shè)計，為電子工程師在各種應(yīng)用場景中提供了一個可靠的數(shù)模轉(zhuǎn)換解決方案。在實際設(shè)計中，我們應(yīng)充分發(fā)揮其優(yōu)勢，同時注意選型和電路設(shè)計的細(xì)節(jié)，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。你在使用DAC8801或其他數(shù)模轉(zhuǎn)換器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。