DAC63204W 12 位四通道智能 DAC 技术总结

12 位 DAC63204W 和 10 位 DAC53204W （DACx3204W） 是引脚兼容的四通道、缓冲、电压输出和电流输出智能数模转换器 （DAC） 系列。这些器件支持高阻断掉电模式和断电条件下的高阻输出。DAC输出提供力检测选项，可用作可编程比较器和电流源或灌电流。多功能 GPIO、功能生成和 NVM 使这些智能 DAC 能够实现无处理器应用和设计重用。这些器件可自动检测I2C、SPI和PMBus接口，并包含内部基准电压源。

这些智能DAC的功能集与微型封装和低功耗相结合，是电压裕度和缩放、用于偏置和校准的直流设定点以及波形生成等应用的绝佳选择。

特性

• 具有灵活配置的可编程电压或电流输出：
  • 电压输出：
    • 1LSB DNL
    • 收益为 1 ×、1.5 ×、2 ×、3 ×和 4 ×
  • 电流输出：
    • 1LSB INL 和 DNL（8 位）
    • ±25μA、±50μA、±125μA、±250μA输出范围选项
• 适用于所有通道的可编程比较器模式
• VDD关闭时的高阻抗输出
• 高阻抗和电阻下拉掉电模式
• 50MHz SPI 兼容接口
• 自动检测I2C、SPI或PMBus接口
  • 1.62V VIH，VDD = 5.5V
• 通用输入/输出 （GPIO） 可配置为多种功能
• 预定义波形生成：正弦波、三角波、锯齿波
• 用户可编程非易失性存储器 （NVM）
• 内部、外部或电源作为参考
• 工作范围广：
  • 电源：1.8V 至 5.5V
  • 温度范围：–40°C 至 +125°C
• 微型封装：16引脚DSBGA（1.76mm×1.76mm）

参数

方框图

DAC63204W 是德州仪器（Texas Instruments）DACx3204W 系列中的 12 位四通道智能数模转换器（DAC） ，支持可编程电压 / 电流输出，集成非易失性存储器（NVM）、内部参考源及自动识别的 I²C/SPI/PMBus 接口，兼具高精度、低功耗与多功能特性，适用于光模块、笔记本电脑等对输出精度、集成度与功耗要求严苛的场景。以下从核心特性、性能参数、功能架构、应用设计及订购信息等方面展开总结。

一、核心特性与产品定位

1. 基础参数与架构

• 通道与分辨率 ：
  • 通道配置：4 个独立通道，每通道可单独配置为电压输出或电流输出模式，支持多参数同步控制（如多通道传感器偏置调节）。
  • 分辨率：12 位（DAC 数据），电流输出模式下等效 8 位精度（INL/DNL 均为 ±1 LSB），电压输出模式微分非线性（DNL）1 LSB，积分非线性（INL）±5 LSB，满足高精度控制需求。
• 输出模式与范围 ：
  • 电压输出：支持 1×/1.5×/2×/3×/4× 可编程增益，输出范围 0-VDD（1.8V-5.5V），零码误差 6-15mV（外部参考 / 内部参考，VDD=5.5V），适用于电压裕量调节（margining）、精密偏置等场景。
  • 电流输出：支持双极性（±25μA-±250μA）范围，输出阻抗 60MΩ，适配传感器驱动、电流源校准等应用。
• 供电与功耗 ：
  • 供电电压：1.8V-5.5V 单电源，兼容工业与便携式设备供电标准。
  • 功耗：电压输出模式下每通道典型电流 150μA，休眠模式（内部参考关闭）28μA，深度休眠模式低至 1.5-3μA，低功耗特性适配电池供电设备。
• 封装与可靠性 ：
  • 封装：16 引脚 DSBGA（1.76mm×1.76mm），0.4mm 引脚间距，底部无热焊盘，需通过 PCB 布局优化散热（结到板热阻 20.3°C/W）。
  • 环境适应性：工作温度 - 40°C-125°C（工业级），ESD 防护（人体放电模型 HBM±2000V、带电设备模型 CDM±500V），保障恶劣环境下的稳定性。

2. 核心增强功能

• 智能接口与控制 ：
  • 自动识别接口：上电后自动检测 I²C（标准 / 快速 / 快速 + 模式）、SPI（3 线 / 4 线）或 PMBus 协议，无需硬件配置；I²C 支持 4 种设备地址（通过 A0 引脚配置），SPI 最高时钟频率 50MHz（写操作），读操作最高 2.5MHz（FSDO=1）。
  • PMBus 兼容性：支持 Turn On/Off、Margin High/Low 等 PMBus 指令，适配电源管理场景（如 CPU/GPU 供电电压裕量测试）。
• 存储与校准 ：
  • NVM 功能：支持 20000 次擦写（-40°C-85°C）、50 年数据保留，可存储 DAC 配置、增益参数、故障阈值等，上电后自动加载，实现 “无处理器独立运行”。
  • 实时校准：电压 / 电流输出均支持偏移误差、增益误差校准，零码误差温度系数 ±10μV/°C，增益误差温度系数 ±0.0008% FSR/°C，保障长期精度稳定性。
• 波形生成与故障管理 ：
  • 预定义波形：支持正弦波、三角波、锯齿波生成，频率可通过步长（CODE-STEP：1-32 LSB）与速率（SLEW-RATE：4μs-5.12ms / 步）编程，例如三角波频率可通过 “步长 10 LSB + 速率 100μs / 步” 实现约 50Hz 输出，适配周期性信号驱动场景（如传感器激励）。
  • 故障保护：集成可编程比较器（窗口 / 滞回模式）、故障转储（Fault-Dump）功能，可将故障时的寄存器状态（如 DAC 数据、比较器状态）存储至 NVM，便于事后诊断系统故障。

3. 典型应用场景

• 光模块 ：作为激光二极管偏置电流控制器，4 通道独立输出可同时调节多组激光器件电流，12 位精度保障光信号功率稳定性。
• 笔记本电脑 ：电压输出模式用于 CPU/GPU 供电电压裕量测试，PMBus 接口适配电源管理芯片，实现动态电压调节与故障保护。
• 工业传感器 ：多通道电流输出为温度、压力等传感器提供精准偏置电流，12 位精度降低传感器测量误差。

二、关键性能参数

1. 核心电气性能（典型值，TA ​ =25**∘C，VDD​**=**5.5**V，增益 = 1×）

性能类别	参数	规格	单位
电压输出	积分非线性（INL）	±5 LSB	LSB
	微分非线性（DNL）	1 LSB	LSB
	建立时间（10% FSR）	20 μs（增益 1×）、25μs（增益 4×）	μs
	输出噪声密度（1kHz）	0.35 μV/√Hz（增益 1×）、0.9μV/√Hz（增益 4×）	μV/√Hz
	电源抑制比（AC）	-68 dB（50/60Hz）	dB
电流输出	积分非线性（INL）	±1 LSB（8 位等效）	LSB
	偏移误差（双极性）	±1 %FSR	%FSR
	输出合规电压	400 mV（至 VDD/AGND）	V
	输出噪声电流（0.1-10Hz）	150 nA PP	nA PP
比较器	响应时间	10 μs	μs
	失调误差	±6 mV	mV
NVM	擦写次数	20000（-40°C-85°C）	次
	数据保留时间	50	年

三、核心功能架构

1. 模拟前端模块

（1）电压输出电路

• 参考选择 ：支持三种参考模式，灵活适配不同精度需求：
  • 内部参考：1.21V（初始精度 ±1%，温度漂移 50ppm/°C），通过VOUT-GAIN-x寄存器配置增益（如 1.21V×4× 增益对应输出 0-4.84V）。
  • 外部参考：1.7V-VDD，需确保外部参考滞后 VDD 上电，避免器件损坏。
  • 电源参考：默认以 VDD 为参考，增益固定 1×，输出范围 0-VDD，适用于对成本敏感的场景。
• 闭环设计 ：每个通道的 FBx 引脚需与 OUTx 短接，形成闭环放大器输出，避免开环导致的输出饱和；输出短路电流（VDD=5.5V）典型 60mA，保障 TEC、继电器等负载的驱动能力。

（2）电流输出电路

• 范围配置 ：通过IOUT-RANGE-x寄存器选择输出范围（如 ±25μA-±250μA），内部采用电压 - 电流转换架构，输出阻抗 60MΩ，降低负载变化对电流精度的影响。
• 误差补偿 ：集成偏移误差、增益误差校准，双极性模式下 mid-scale 偏移 ±1% FSR，可通过 NVM 存储校准参数，上电后自动补偿。

（3）可编程比较器

• 功能模式 ：
  • 滞回模式：通过CMP-X-MODE=01b启用，DAC-X-MARGIN-HIGH/LOW设置滞回阈值，适用于噪声环境下的阈值检测（如过流保护）。
  • 窗口模式：通过CMP-X-MODE=10b启用，检测输入电压是否在MARGIN-HIGH与MARGIN-LOW之间，超限则触发WIN-CMP-X标志，用于电压 / 电流范围监控。
• 输出控制 ：支持推挽 / 开漏输出（CMP-X-OD-EN）与相位反转（CMP-X-INV-EN），故障时可强制 DAC 输出预设值（如 Hi-Z 或 NVM 存储代码），提升系统安全性。

2. 波形生成与 NVM 功能

（1）预定义波形生成

• 波形类型 ：
  • 三角波 / 锯齿波：基于DAC-X-MARGIN-HIGH/LOW设定上下限，通过CODE-STEP与SLEW-RATE控制频率，例如 100μs / 步、10 LSB 步长时，三角波频率约 50Hz。
  • 正弦波：内置 24 点 / 周期的预编程数据，支持 0°/90°/120°/240° 相位选择，频率由SLEW-RATE决定（如 24×4μs / 步对应频率 10.4kHz），适配传感器激励、信号调制场景。
• 触发方式 ：可通过 GPIO 引脚或寄存器触发波形启动 / 停止，支持多通道同步生成，简化多信号协同控制。

（2）NVM 与配置存储

• 存储内容 ：支持存储 DAC 输出代码、增益配置、比较器阈值、故障转储数据等，上电后通过 POR（上电复位）自动加载，无需外部处理器干预，实现 “上电即工作”。
• CRC 校验 ：内置 16 位 CRC-16 校验，检测 NVM 数据完整性，若数据损坏（NVM-CRC-FAIL-USER置 1），自动加载出厂默认值，保障配置可靠性。
• 故障转储（Fault-Dump） ：触发故障时，自动将 DAC 数据、比较器状态等关键信息存储至 NVM，便于事后分析故障原因（如系统掉电前的状态捕获）。

3. 接口与同步控制

• 自动识别接口 ：
  • I2C：支持标准模式（100kbps）、快速模式（400kbps）、快速 + 模式（1Mbps），4 种设备地址（A0 引脚接 AGND/VDD/SDA/SCL），适配多器件级联。
  • SPI：默认 3 线模式（SCLK/SDI/SYNC），GPIO 配置为 SDO 后支持 4 线读操作，写操作最高 50MHz，读操作最高 2.5MHz（FSDO=1），满足高速数据更新需求。
  • PMBus：兼容 Turn On/Off、Margin High/Low 等指令，适配电源管理系统，支持电压裕量测试与故障上报。
• GPIO 多功能配置 ：
  • 输入功能：可配置为 LDAC（加载 DAC 数据）、PROTECT（故障保护触发）、RESET（器件复位）等，例如 PROTECT 引脚触发时，DAC 输出可渐变至安全值并进入高阻模式。
  • 输出功能：可映射 NVM-BUSY、DAC-BUSY、比较器状态等，实时反馈器件工作状态，简化系统监控设计。

四、应用设计要点

1. 电源与布局设计

• 供电配置 ：
  • 去耦电容：VDD 引脚外接 0.1μF 陶瓷电容（靠近引脚），CAP 引脚外接 1.5μF 旁路电容（为内部 LDO 滤波），降低电源噪声耦合；外部参考（若使用）需滞后 VDD 上电，避免反向电压损坏。
  • 接地设计：模拟地（AGND）与数字地单点连接，DSBGA 封装的焊球需通过过孔阵列连接至地平面，优化散热与接地性能；模拟信号（OUTx/FBx）与数字信号（SCL/SDA）分开布线，避免串扰。
• 布局规范 ：
  • 分区布局：电压输出通道远离高频数字电路，电流输出通道需减少寄生电阻（如短路径、粗走线），避免影响电流精度。
  • 热设计：若用于高功耗场景（如多通道满负荷输出），需在 PCB 对应区域增加铜皮，辅助散热（结到环境热阻 81.2°C/W）。

2. 典型应用：可编程电流源

以 DAC63204W 驱动外部 MOSFET 实现 0-200mA 可编程电流源为例，适配光模块激光驱动场景，设计步骤如下：

1. 硬件连接 ：

• 电流采样：MOSFET 源极串联 3Ω 采样电阻（RSET），DAC 输出（OUT0）通过运放驱动 MOSFET 栅极，FB0 引脚监测 RSET 电压，形成闭环控制。
• 故障保护：AIN0 接电流采样电阻两端，配置比较器窗口模式，阈值设为 0.6V（对应 200mA），超限则触发 PROTECT 功能，关闭电流输出。

2. 参数配置 ：

• 参考与增益：启用内部 1.21V 参考，配置 1.5× 增益，DAC 输出范围 0-1.8V，对应 RSET 电压 0-0.6V（电流 0-200mA）。
• 波形与 Slew 控制：设置CODE-STEP=8 LSB、SLEW-RATE=8μs/步，从 0mA 到 200mA 的渐变时间约 1.36ms，避免电流冲击损坏激光器件。

3. NVM 存储 ：将 DAC 代码、比较器阈值、增益配置存储至 NVM，上电后自动加载，无需外部处理器初始化。