DAC61401技术文档总结

16位DAC81401和12位DAC61401（DACx1401）器件是引脚兼容的单通道、缓冲、高压输出数模转换器（DAC）系列，集成了2.5V内部基准电压源。这些器件指定为单调，并提供小于1LSB（最大值）的卓越线性度。

DACx1401 提供 ±20V、±10V、±5V 的双极性输出电压，以及 40V、10V 和 5V 的满量程单极性输出电压。DAC 输出范围是可编程的。
*附件：dac61401.pdf

DACx1401 集成了一个上电复位 （POR） 电路，可为 DAC 输出供电，并使器件保持掉电模式，直到输出使能。

与器件的通信通过与行业标准微处理器和支持 1.7V 至 5.5V作的微控制器兼容的高速 4 线串行接口完成。

DACx1401 的工作温度范围为 –55°C 至 +125°C，采用小型 16 引脚 QFN 和 20 引脚 TSSOP 封装。

特性

• 卓越性能：1LSB INL/DNL（最大）
• 超低毛刺能量：1nV-s
• 宽电源：
  • 单极模式：+4.5V 至 +41.5V
  • 双极性模式：±4.5V 至 ±21.5V
• 14 个用户可编程输出范围
  • ±5V、±10V、±20V
  • 0V 至 5V、0V 至 10V、0V 至 20V、0V 至 40V
  • 20% 超量程（±20V 和 0V 至 40V 除外）
• 集成 10ppm/°C、2.5V 精密基准电压源
• 可靠性特点：
  • 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：–55°C 至 +125°C
• 包：
  • 20 引脚 TSSOP （PW）
  • 16引脚WQFN（RTE）

参数

方框图

一、产品概述

DAC61401（12 位）与 DAC81401（16 位）是德州仪器推出的单通道高压输出数模转换器（DAC） 系列，核心优势在于高精度（INL/DNL 最大 1LSB）、宽输出范围（单极性 040V / 双极性 ±20V）及集成精密基准源，专为半导体测试、工业控制、实验室仪器等高压高精度场景设计。通过可编程增益输出缓冲、SPI 接口及故障检测功能，在简化系统设计的同时，确保全温域（-55125°C）下的稳定性与可靠性。

二、核心特性

（一）高精度与高压输出

• 分辨率与线性度 ：DAC61401 为 12 位，DAC81401 为 16 位，两者均保证单调特性，积分非线性（INL）与微分非线性（DNL）最大 1LSB，全温域总未调整误差（TUE）最大 0.05% FSR，满足精密测量需求；
• 输出范围 ：支持 14 种用户可编程输出范围，覆盖单极性（05V/10V/20V/40V，部分范围支持 20% 超量程，如 05V 可扩展至 0~6V）与双极性（±5V/±10V/±20V），适配不同高压驱动场景；
• 动态性能 ：超低毛刺能量（1nV・s），5V 量程下建立时间 7μs（±2LSB），40V 量程下 22μs（±2LSB），压摆率最高 4V/μs（非 40V 量程），确保高速响应。

（二）低功耗与灵活供电

• 功耗优化 ：正常模式下模拟供电电流（IAVDD）最大 1.6mA，数字供电电流（IVDD）最大 2.5mA，全局掉电模式功耗仅 10μA，支持分模块掉电（如关闭内部基准、DAC 输出）进一步降低功耗；
• 供电配置 ：需四电源供电，模拟正电源（AVDD）4.541.5V、模拟负电源（AVSS）-21.50V（双极性模式需负电源）、数字核心电源（VDD）4.55.5V、接口电源（IOVDD）1.75.5V，电源序列无强制要求，简化系统供电设计。

（三）集成精密基准与故障防护

1. 内部基准 ：集成 2.5V 精密基准源，温度漂移最大 10ppm/°C，输出噪声（0.1~10Hz）典型值 30μVpp，支持外部基准输入（VREFIO 引脚），适配更高精度需求场景；
2. 故障检测 ：具备循环冗余校验（CRC）、温度告警（结温超 140°C 触发）、DAC 忙状态指示功能，FAULT 引脚（开漏输出）可配置为故障告警输出，支持 CRC 错误、温度超限、DAC 忙等多触发源；
3. 可靠性设计 ：输出短路保护（短路电流限制 40mA），ESD 防护符合 HBM±1000V/CDM±500V 标准，确保工业环境下的抗干扰能力。

（四）灵活的数字接口与控制

• SPI 接口 ：支持 50MHz 高速 4 线 SPI（SCLK/SDIN/SDO/SYNC），兼容 1.7~5.5V 逻辑电平，支持寄存器读写、数据回读及菊花链（Daisy-Chain）多器件级联，适配多通道同步控制；
• 配置功能 ：通过寄存器可配置输出范围、基准源（内部 / 外部）、掉电模式、CRC 校验等，支持软件复位与软件清除（清零代码 / 中量程代码），适配动态系统调整需求。

三、器件信息与电气规格

（一）型号差异与封装

型号	分辨率	封装类型	引脚数	工作温度	关键差异
DAC61401	12 位	20 引脚 TSSOP（PW）、16 引脚 WQFN（RTE）	-55~125°C	无超量程扩展至 ±20V/0~40V，功耗较 16 位型号低约 15%
DAC81401	16 位	20 引脚 TSSOP（PW）、16 引脚 WQFN（RTE）	-55~125°C	支持全范围超量程，更高分辨率，适合精密高压控制

（二）热学特性（典型值）

封装类型	结到环境热阻（RθJA）	结到顶部外壳热阻（RθJC (top)）	结到板热阻（RθJB）
20 引脚 TSSOP（PW）	36.0°C/W	21.7°C/W	17.9°C/W
16 引脚 WQFN（RTE）	19.0°C/W	30.2°C/W	18.9°C/W

（三）核心电气参数（TA=-40~125°C，AVDD=15V，AVSS=-15V，VREF=2.5V）

参数	DAC61401（12 位）	DAC81401（16 位）	测试条件
INL（最大）	1LSB	1LSB	全量程，-40~125°C
DNL（最大）	1LSB	1LSB	全量程，-40~125°C
增益误差（最大）	±0.075%FSR	±0.075%FSR	外部基准，25°C
增益温度漂移	±3ppm/°C	±3ppm/°C	外部基准
输出噪声（0.1~10Hz）	30μVpp	25μVpp	10V 量程，内部基准
输出电流能力	±10mA（AVDD≤5.5V）	±10mA（AVDD≤5.5V）	负载电流范围，保证线性
电源抑制比（PSRR-AC）	75dB	75dB	60Hz，±10V 输出

四、功能模块详解

（一）模拟输出与基准模块

1. R-2R 梯形 DAC 架构
   • 采用分段式 R-2R 梯形网络，配合专用基准缓冲器，确保输入阻抗恒定（参考引脚 VREFIO 阻抗典型值 50kΩ），通过生产校准实现低非线性；
   • 输出缓冲放大器支持轨到轨输出，单极性模式下输出阻抗 0.05Ω，双极性模式下 0.05Ω，负载调整率 50μV/mA，保证大负载下的电压稳定性。
2. 基准源配置
   • 内部基准 ：默认掉电状态，需通过 GENCONFIG 寄存器（0x04）启用，输出 2.5V（±0.1% 精度），支持 5mA 负载电流，VREFIO 引脚需并联 150nF 滤波电容；
   • 外部基准 ：需将内部基准掉电，外部 2.5V 基准接入 VREFIO 引脚，推荐使用高精度基准源（如 REF5025），此时增益误差温度漂移降至 - 35ppm/°C，提升长期稳定性。
3. 高压输出与保护
   • 输出级支持 ±15mA 驱动电流（AVDD>5.5V 时），具备 1.5V 电源裕量（输出离电源轨 1.5V 内仍保证线性）；
   • 短路保护：输出短路至 AVSS/AVDD 时，电流限制 40mA（AVDD>5.5V），避免器件损坏，短路状态下结温可能超上限，需避免长期短路。

（二）数字信号处理与控制

1. 可编程增益输出
   • 输出增益随量程自动配置，如 0~5V 量程增益 2.0、±5V 量程增益 4.0、40V 量程增益 16.0，输出电压计算公式如下：
     • 单极性：VOUT ​ =2NCODE​**×VREFIO ​ ×GAIN**（CODE 为十进制输入代码，N 为分辨率）
     • 双极性：VOUT ​ =(2N2**×CODE​**− 1 )×VREFIO​**×GAIN**
   • 支持负载电压 sensing（VSENSEP 引脚），通过反馈补偿 PCB 线路压降，确保负载端电压精度。
2. 故障检测与告警
   • 温度告警 ：结温超 140°C 时触发热关断，TEMP-ALM bit 置 1，DAC 输出进入掉电模式，需通过 ALM-RESET bit 清除告警；
   • CRC 校验 ：启用后 SPI 帧扩展为 32 位（含 8 位 CRC-8 校验），CRC 错误时 CRC-ALM bit 置 1，FAULT 引脚可配置为低电平告警；
   • DAC 忙指示 ：DAC 更新期间 DAC-BUSY bit 置 1，FAULT 引脚可配置为忙状态指示，避免连续更新导致数据错误。
3. 掉电模式
   • 支持全局掉电（DEV-PWDWN）与 DAC 单独掉电（DAC-PWDWN），掉电时 DAC 输出通过 10kΩ 电阻接地，寄存器数据保持，恢复后输出恢复至掉电前值；
   • 掉电电流：AVDD/AVSS 掉电电流最大 10μA，VDD/IOVDD 掉电电流最大 10μA，适合低功耗待机场景。

（三）SPI 接口与寄存器控制

1. 多接口模式
   • 标准 SPI ：24 位帧（1 位 R/W+1 位保留 + 6 位地址 + 16 位数据），支持读写寄存器，SCLK 最高 50MHz（IOVDD=2.7~5.5V 时）；
   • 菊花链模式 ：多器件通过 SDO 级联，需满足 24×N 个 SCLK 周期（N 为器件数），SYNC 高电平时数据锁存至各器件；
   • CRC 模式 ：32 位帧（1 位 R/W+1 位 CRC-ERROR+6 位地址 + 16 位数据 + 8 位 CRC），用于噪声环境下确保通信完整性。
2. 关键寄存器 | 地址（十六进制）| 寄存器名称 | 功能描述 ||----|----|----||0x02|STATUS | 状态寄存器，显示 CRC 告警、DAC 忙、温度告警状态 ||0x03|SPICONFIG|SPI 配置，控制故障引脚触发源、掉电模式、CRC 使能 ||0x04|GENCONFIG | 通用配置，控制内部基准掉电 / 使能 ||0x0A|DACRANGE | 输出量程配置，4 位字段选择 14 种输出范围 ||0x0E|TRIGGER | 触发寄存器，支持软件复位、软件清除、告警清除 ||0x10|DAC|DAC 数据寄存器，存储 16 位输入代码（12 位型号高 4 位无效）|

五、典型应用场景

（一）半导体测试与 ATE 设备

• 应用架构 ：DAC81401 通过 SPI 接收 FPGA 配置指令，输出 040V 高压信号，经外部运算放大器（如 OPA593）增益扩展至 080V，驱动半导体测试探针；VSENSEP 引脚反馈负载电压，补偿线路压降；CRC 校验确保配置指令无误，温度告警防止器件过热；
• 关键配置 ：启用内部基准（2.5V），配置 DAC 量程为 020V，外部放大器增益 4 倍，实现 080V 输出；FAULT 引脚配置为温度告警与 CRC 错误触发，确保测试过程稳定；
• 性能优化 ：CCOMP 引脚并联 470pF 电容，支持 1μF 负载电容，建立时间 1.2ms（±2LSB），满足测试设备的高压快速切换需求。

（二）工业 PLC 模拟输出模块

• 应用架构 ：DAC61401 接收 PLC 主机指令，输出 420mA 对应电压信号（如 010V），经电压 - 电流转换器（OPA333+NPN 三极管）转换为 4~20mA 电流信号，驱动远程执行器；SPI 接口支持菊花链，实现多通道同步输出；
• 关键配置 ：选择双极性 ±10V 量程，软件清除功能确保上电时输出中量程（0V），避免执行器误动作；掉电模式用于待机节能，恢复后快速输出目标值；
• 可靠性设计 ：FAULT 引脚外接上拉电阻，监测 DAC 忙状态，避免主机连续发送更新指令；TVS 管（36V 双向）并联于 VOUT 引脚，防护 ESD 与电压瞬变。