Texas Instruments DACx1401高电压输出数模转换器 (DAC) 是引脚兼容的单通道缓冲式高电压输出数模转换器 (DAC) 系列，具有集成的2.5V内部基准。这些设备具有指定的单调性，提供低于1LSB（最大值）的卓越线性度。

数据手册：*附件：Texas Instruments DACx1401高电压输出DAC数据手册.pdf

DACx1401的双极输出电压为±20V、±10V和±5V，满量程单极输出电压为40V、10V和5V。DAC输出范围可编程。DACx1401集成了上电复位 (POR) 电路，可为DAC输出供电，并使器件处于掉电模式，直到输出启用为止。

通过与支持1.7V至5.5V工作频率的行业标准微处理器和微控制器兼容的高速4线串行接口与器件进行通信。Texas Instruments DACx1401的额定工作温度范围为-40°C至+125°C，采用小型20引脚TSSOP封装。

特性

• 出色性能：1 LSB INL/DNL（最大值）
• 1nVs超低毛刺脉冲能量
• 宽电源电压范围
  • 单极模式：+4.5V至+41.5V
  • 双极模式：±4.5V至±21.5V
• 14个用户可编程输出范围
  • ±5 V、±10 V、±20 V
  • 0V至5V、0V至10V、0V至20V、0V至40V
  • 20%超范围（±20V和0V至40V除外）
• 集成10ppm/°C、2.5V精密基准
• 可靠性特性
  • 循环冗余校验（CRC）
  • 故障引脚
• 50MHz、4线SPI兼容接口
  • 回读
  • 菊花链
• 温度范围：-40 °C至+125 °C
• 20引脚TSSOP (PW) 封装

功能框图

高精度高压输出DAC技术解析：以DACx1401系列为例

一、引言

在半导体测试、工业自动化控制以及精密仪器仪表领域，高精度数字模拟转换器(DAC)是实现精准电压输出的核心部件。Texas Instruments推出的DAC61401(12位)和DAC81401(16位)系列高压输出DAC，以其卓越的线性度、灵活的电压输出范围和集成化设计，为工业应用提供了理想的解决方案。本文将基于官方数据手册，深入解析该系列器件的技术特性与应用设计要点。

二、产品核心特性

1. 卓越的精度性能

• ‌超低非线性误差‌：最大仅1LSB的INL/DNL指标，其中典型值可达±0.3LSB
• ‌多分辨率选择‌：提供12位(DAC61401)和16位(DAC81401)两种分辨率版本
• ‌超低毛刺能量‌：仅1nV-s的毛刺能量，确保输出稳定

2. 宽电压输出能力

• ‌工作电源范围‌：
  • 单极性模式：+4.5V至+41.5V
  • 双极性模式：±4.5V至±21.5V
• ‌14种可编程输出范围‌：
  • 双极性：±5V、±10V、±20V（支持20%过范围）
  • 单极性：0-5V、0-10V、0-20V、0-40V

3. 集成精密参考源

• 内置2.5V基准电压源
• 低温漂：10ppm/°C（最大值）
• 可驱动外部负载（最大5mA）

三、关键技术创新

1. 架构设计

采用R-2R梯形电阻网络与轨到轨输出缓冲放大器的组合架构。专用参考缓冲器为R-2R梯形提供恒定阻抗驱动，生产工艺修调保证优异的线性度和低毛刺特性。

2. 可编程增益输出

通过内部电阻增益网络实现灵活的电压输出配置，增益因子根据输出范围从2.0到16.0可调。输出电压计算公式：

• ‌单极性模式‌：VOUT = VREFIO × GAIN × CODE/2^N
• ‌双极性模式‌：VOUT = VREFIO × GAIN × (CODE/2^(N-1) - 1)

3. 可靠性增强设计

• 循环冗余校验(CRC)确保数据传输完整性
• 故障指示引脚(FAULT)提供系统状态监控
• 热关断保护（140°C触发）

四、典型应用设计

1. 高电压扩展方案

当需要超过±20V或0-40V的输出时，可采用外部高压增益级设计：

• 使用OPA593等高压运放构建4倍增益级
• 需注意：
  • 补偿电容选择（470pF典型值）
  • 电源裕量设计（HV+ = VOUT_HVmax + 运放裕量）
  • 保护电路（TVS管和钳位二极管）

2. 布局指南

• 电源去耦：每个电源引脚就近放置0.1μF陶瓷电容+4.7-10μF钽电容
• 地平面：为数字信号提供完整地参考平面
• 热焊盘：WQFN封装必须焊接至PCB以优化热性能

五、寄存器配置要点

器件通过灵活的4线SPI接口（最高50MHz）进行配置，关键寄存器包括：

1. ‌DACRANGE寄存器‌：设置输出范围
   • 示例代码：0x0005配置为±5V范围
2. ‌DACPWDWN寄存器‌：控制DAC输出使能
   • 0xFFFE使能输出，0xFFFF关断输出
3. ‌TRIGGER寄存器‌：软件复位与清除功能
   • 写入0x0A00实现器件软复位

六、性能优化建议

1. ‌参考源处理‌：
   • 使用内部参考时，VREFIO引脚需接150nF去耦电容
   • 外部参考输入阻抗为50kΩ
2. ‌负载驱动能力‌：
   • 典型负载电流：±15mA（AVDD>5.5V时）
   • 容性负载：
     • 基本模式：最大2nF（CCOMP悬空）
     • 扩展模式：最大1μF（需接470pF补偿电容）
3. ‌温度管理‌：
   • 注意功率耗散对结温的影响
   • 热阻参数：
     • TSSOP封装：θJA=83.1°C/W
     • WQFN封装：θJA=56.6°C/W

七、行业应用展望

DACx1401系列凭借其高压输出能力和精密特性，特别适用于：

• ‌半导体测试设备‌：提供精确的可编程偏置电压
• ‌PLC/DCS系统‌：模拟量输出模块的理想选择
• ‌伺服驱动控制‌：高精度参考电压生成
• ‌实验室仪器‌：替代传统笨重的线性电源