DAC53001技术文档总结

12位DAC63001和DAC63002以及10位DAC53001和DAC53002（统称为DACx300x）是一个引脚兼容的超低功耗、单通道和双通道、缓冲电压输出和电流输出智能数模转换器（DAC）系列。DACx300x 器件支持 Hi-Z 掉电模式和断电条件下的 Hi-Z 输出。DAC输出提供力检测选项，用作可编程比较器和电流吸收器。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。这些设备会自动检测 I^2^C、PMBus 和 SPI 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超低功耗相结合，是陆地移动无线电、脉搏血氧仪、笔记本电脑和其他电池供电应用等应用的绝佳选择，用于偏置、校准和波形生成。
*附件：dac53001.pdf

特性

• 具有灵活配置的可编程电压或电流输出：
  • 电压输出：
    • 1 LSB INL 和 DNL（10 位）
    • 1 倍、1.5 倍、2 倍、3 倍和 4 倍的收益
  • 电流输出：
    • 1 LSB INL 和 DNL（8 位）
    • 单极性和双极性输出范围选项，范围为 25 μA 至 250 μA
• 35μA/通道 IDD在电压输出模式下
• 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 I^2^C、PMBus™ 或 SPI 接口
  • 1.62伏伏IH的带 V DD = 5.5 伏
• 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、余弦波、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：1.8 V 至 5.5 V
  • 温度：–40°C 至 +125°C
• 微型封装：16引脚WQFN（3 mm × 3 mm）

参数

方框图

一、产品概述

DACx300x 是引脚兼容的超低功耗智能 DAC 家族，包含 4 个型号，核心差异体现在分辨率与通道数，均采用 3mm×3mm 16 引脚 WQFN（RTE 封装），工作温度覆盖 - 40°C~125°C，结温上限 150°C。器件集成非易失性存储器（NVM）、内部基准源及自动检测的 I²C/SPI/PMBus 接口，支持断电高阻输出、可编程比较器模式及波形生成，单通道电压输出模式功耗低至 35μA，适配空间受限、低功耗要求高的场景。

型号	分辨率	通道数	核心特点
DAC53001	10 位	单通道	电压 / 电流输出，支持比较器模式
DAC53002	10 位	双通道	双路独立配置，共享 NVM 与基准源
DAC63001	12 位	单通道	更高线性度，适配高精度校准场景
DAC63002	12 位	双通道	双路高精度输出，支持同步波形生成

二、核心特性

1. 高精度模拟输出性能

（1）电压输出模式

• 静态指标 （典型值，TA=25°C，VDD=5.5V）：
  • 线性度：10 位型号 INL/DNL±1LSB，12 位型号 INL±4LSB、DNL±1LSB；
  • 增益 / 偏移误差：增益误差 ±0.5% FSR，偏移误差 ±0.75% FSR，温度系数分别为 ±0.0008% FSR/°C、±0.0003% FSR/°C；
  • 满量程范围：支持 1x/1.5x/2x/3x/4x 增益（内部基准 1.21V 时，最大输出 4.84V），外部基准或电源作为基准时增益固定 1x，输出范围 0~VDD。
• 动态指标 ：
  • 建立时间：20μs（1/4~3/4 量程，settling 到 10% FSR），增益 4x 时 25μs；
  • 噪声性能：0.1Hz~10Hz 频段噪声电压 50μVpp（1x 增益）、90μVpp（4x 增益），1kHz 噪声密度 0.35μV/√Hz（1x 增益）；
  • 电源抑制比（PSRR）：DC 模式 0.25mV/V，AC 模式 - 68dB（50/60Hz 干扰）。

（2）电流输出模式

• 静态指标 （典型值，TA=25°C，输出范围 ±250μA）：
  • 分辨率：8 位（所有型号），INL/DNL±1LSB；
  • 输出范围：支持单极性（0 25μA/50μA/125μA/250μA 及负向范围）、双极性（±25μA ±250μA），偏移误差 ±1.5% FSR，增益误差 ±1.3% FSR；
  • 输出阻抗：60MΩ（ midscale，负载电压 VDD/2），输出 compliance 电压≥400mV（除 25μA 范围为 200mV 外）。
• 动态指标 ：
  • 建立时间：60μs（1/4~3/4 量程，settling 到 1LSB）；
  • 噪声性能：0.1Hz~10Hz 频段噪声电流 150nApp，1kHz 噪声密度 1nA/√Hz。

2. 灵活的接口与控制功能

（1）自动检测多接口

• 接口类型 ：上电后自动识别 I²C/SPI/PMBus，识别后锁定协议直至下一次上电；
  • I²C：支持标准模式（100kbps）、快速模式（400kbps）、快速模式 +（1Mbps），A0 引脚可配置 4 个从机地址；
  • SPI：默认 3 线模式（SCLK/SDI/SYNC），GPIO 可配置为 SDO 实现 4 线读回，写速率最高 50MHz，读速率最高 2.5MHz；
  • PMBus：兼容电源管理命令（如 Turn On/Off、Margin High/Low），支持组命令与通信故障检测（CML 标志）。
• GPIO 多功能配置 ：可配置为 LDAC（加载 DAC 数据）、PD（掉电控制）、RESET（硬件复位）、STATUS（状态输出）等，支持边缘 / 电平触发，实现无处理器场景下的输出控制。

（2）非易失性存储器（NVM）

• 存储内容 ：用户可将寄存器配置（如输出模式、增益、掉电状态）写入 NVM，上电后自动加载，支持 20000 次擦写（-40°C~85°C）、1000 次擦写（125°C），数据 retention 50 年（25°C）；
• 故障 Dump ：触发故障时自动保存比较器状态、DAC 数据至 NVM，便于事后诊断，存储格式为 2 行 32 位数据（含状态位与 DAC 代码）。

3. 扩展功能模式

（1）可编程比较器模式

• 工作原理 ：每个通道 FBx 引脚作为比较器输入，OUTx 引脚作为输出，支持推挽 / 开漏输出，可配置反相、滞回及窗口比较；
  • 滞回模式：通过 DAC-X-MARGIN-HIGH/LOW 寄存器设置阈值，支持锁存比较器（复位需 RST-CMP-FLAG-X 位）；
  • 窗口模式：检测输入是否在两个阈值之间，输出结果可 latch 并映射到 GPIO，响应时间 10μs（10%~90% 输出）。
• 静态指标 ：偏移误差 ±5mV（全温域），125°C 下 10 年漂移 4mV，输入电压范围 0~VDD（FBx 高阻禁用时）。

（2）波形生成

• 内置波形 ：支持正弦波、三角波、锯齿波（含反向锯齿波），每通道独立配置；
  • 正弦波：24 个预编程点 / 周期，频率由 SLEW-RATE 决定（如 SLEW-RATE=4μs / 步时，频率≈10.4kHz），支持 0°/90°/120°/240° 相位选择；
  • 三角波 / 锯齿波：由 MARGIN-HIGH/LOW 设定幅值范围，频率由步长（132LSB）与步长时间（4μs5.1ms）决定，支持线性 / 对数斜率。
• PWM 生成 ：三角波 / 锯齿波与 FBx 输入比较，可生成占空比可调的 PWM 信号，适配电机控制、LED 调光场景。

4. 低功耗与可靠性设计

• 功耗控制 ：
  • 正常模式：电压输出 35μA / 通道，电流输出 18μA / 通道（单极性 25μA 范围）、200μA / 通道（双极性 250μA 范围）；
  • 掉电模式：睡眠模式 28μA（内部基准关）、深度睡眠模式 3μA（仅 GPIO 唤醒），断电时输出高阻，漏电流≤500nA（VOUT≤5.5V）。
• ESD 防护 ：人体放电模型（HBM）±2000V，带电器件模型（CDM）±500V，符合工业级防护标准；
• 电源序列 ：VDD 支持 1.7V~5.5V 宽范围，外部基准需在 VDD 之后上电，避免反向电压损坏器件。

三、功能架构与工作原理

1. 核心架构

器件采用 “数字控制 - 模拟输出 - 扩展功能” 三层架构，关键模块如下：

• 数字控制层 ：含 SPI/I²C/PMBus 接口处理、NVM 控制器、GPIO 状态机及寄存器映射，负责指令解析与配置存储；
• 模拟输出层 ：每通道含 DAC 梯形网络、电压缓冲器（电压输出）/ 压流转换器（电流输出），支持内部（1.21V）、外部或电源作为基准；
• 扩展功能层 ：集成比较器、波形生成器及掉电控制逻辑，比较器复用 FBx/OUTx 引脚，波形生成通过数字斜坡与 DAC 结合实现。

2. 关键工作模式

• 电压输出模式 ：FBx 与 OUTx 短接构成闭环，选择基准与增益后，输出电压由 DAC 代码决定（如内部基准 1.21V、增益 4x 时，12 位满量程输出 4.84V）；
• 电流输出模式 ：FBx 悬空以最小化漏电流，输出电流由 8 位 DAC 代码与范围配置决定（如 ±250μA 范围时，代码 0 对应 - 250μA，255 对应 + 250μA）；
• 比较器模式 ：FBx 输入外部信号，与 DAC 设定阈值比较，OUTx 输出逻辑电平，支持滞回以抗干扰；
• 波形生成模式 ：通过 FUNC-CONFIG-X 寄存器配置波形类型、步长与步长时间，DAC 自动更新代码生成连续波形。

四、电气特性

1. 电源与电流特性

电源参数	测试条件	典型值	最大值	单位
VDD 电流（IDD）	电压输出，全量程，数字引脚静态	35	50	μA / 通道
	电流输出，±25μA 范围，midscale	18	24	μA / 通道
	电流输出，±250μA 范围，满量程	167	200	μA / 通道
睡眠模式电流	内部基准关，外部基准 5.5V	-	28	μA
深度睡眠模式电流	GPIO 唤醒，所有模块关	1.5	3	μA

2. 基准与噪声特性

参数	测试条件	典型值	最大值	单位
内部基准初始精度	TA=25°C	1.212	-	V
内部基准温漂	-40°C~125°C	-	50	ppm/°C
外部基准输入阻抗	VREF=5.5V	192	-	kΩ/ 通道
电压输出噪声（0.1Hz~10Hz）	1x 增益，midscale	50	-	μVpp
电流输出噪声（0.1Hz~10Hz）	±250μA 范围，midscale	150	-	nApp

3. 时序特性（SPI 写操作）

参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
SCLK 频率	写模式	-	-	50	MHz
SDI 建立时间（tSDIS）	相对于 SCLK 下降沿	8	-	-	ns
SDI 保持时间（tSDIH）	相对于 SCLK 下降沿	8	-	-	ns
SYNC 低电平时间	至少 24 个 SCLK 周期	50	-	-	ns

五、引脚配置与封装

1. 封装规格

• 物理参数 ：3mm×3mm WQFN（RTE 封装），16 引脚，引脚间距 0.5mm，最大高度 0.8mm；底部裸露热焊盘（面积约 2mm×2mm）需焊接至 AGND，配合 2~4 个 0.3mm 散热过孔，结到环境热阻（RθJA）49°C/W，结到板热阻（RθJB）24.1°C/W；
• 可靠性 ：符合无铅焊接要求，MSL 等级 1（260°C 峰值回流焊，无限期存储），引脚镀层为镍钯金（NIPDAU），兼容 RoHS。

2. 关键引脚分类

核心引脚按功能分为模拟输入输出、电源、数字控制及基准四类，关键引脚功能如下：

引脚类型	关键引脚示例	功能描述
模拟输入输出	OUT0/OUT1（2/11）、FB0/FB1（1/12）	OUTx 为 DAC 模拟输出（电压 / 电流），FBx 为反馈 / 比较器输入（电压模式短接 OUTx，电流模式悬空）
电源引脚	VDD（15）、AGND（14）、CAP（13）	VDD 为主电源（1.7V~5.5V），AGND 为模拟地（热焊盘接 AGND），CAP 为内部 LDO 旁路电容（1.5μF）
数字控制引脚	SCL/SYNC（6）、SDA/SCLK（8）、A0/SDI（7）、GPIO/SDO（5）	SCL/SYNC 为 I²C 时钟 / SPI 片选，SDA/SCLK 为 I²C 数据 / SPI 时钟，A0/SDI 为 I²C 地址 / SPI 数据，GPIO/SDO 为多功能 GPIO/ SPI 读回
基准引脚	VREF（16）	外部基准输入（1.7V~VDD），未使用时需上拉至 VDD，配合 0.1μF 旁路电容

六、典型应用与设计建议

1. 典型应用场景

• 电源电压调节（Margining） ：通过 DAC 输出控制 DC/DC 转换器反馈端，实现 ±10% 电压调节（如 3.3V 电源调节至 2.97V~3.63V），利用 Hi-Z 掉电模式避免电源扰动；
• 脉搏血氧仪 ：电流输出模式提供 25μA~250μA 可编程激励电流，驱动 LED 光源，配合比较器检测光电流阈值；
• 波形发生器 ：生成正弦波（如 10kHz）或三角波，作为测试设备激励信号，通过 NVM 保存波形参数，上电自动启动。

2. 设计建议

（1）电源与基准设计

• 电源 decoupling ：VDD 引脚就近并 0.1μF 陶瓷电容（高频）+1μF 钽电容（低频），CAP 引脚并 1.5μF 陶瓷电容（推荐 X5R/X7R 材质），VREF 引脚并 0.1μF 电容（外部基准时）；
• 基准选择 ：高精度场景用内部基准（1.21V，温漂 50ppm/°C），宽输出范围场景用 VDD 作为基准（需保证 VDD 纹波≤10mV），外部基准需确保电压≤VDD 且后于 VDD 上电。

（2）模拟输出设计

• 电压模式 ：OUTx 与 FBx 短接（推荐 0Ω 电阻），负载电阻≥5kΩ，电容负载≤200pF（如需更大负载，需外部缓冲）；
• 电流模式 ：FBx 悬空，负载电压≤VDD-0.4V（确保输出 compliance），避免 OUTx 短路至 AGND/VDD（短路电流最大 60mA，需限流）。

（3）PCB 布局

• 分区布局 ：模拟区（OUTx、FBx、VREF）与数字区（SPI/I²C 引脚）分离，AGND 与 DGND 单点连接，避免地弹噪声；
• 热设计 ：裸露热焊盘与 AGND 平面完全覆盖焊接，添加 2~4 个 0.3mm 散热过孔，确保结温不超过 125°C（长期使用）；
• EMC 优化 ：时钟信号（SCLK）远离模拟引脚，长度匹配误差≤5mm，关键模拟引脚（VREF、OUTx）添加 RC 滤波（如 1kΩ 电阻 + 10nF 电容）。