探索DAC101C08xx：10位微功耗数模转换器的卓越性能与应用

 

在电子设计的广阔领域中，数模转换器（DAC）扮演着至关重要的角色，它能将数字信号转换为模拟信号，广泛应用于工业、汽车、便携式设备等众多领域。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（TI）推出的DAC101C08xx系列10位微功耗数模转换器，看看它有哪些独特的特性和应用场景。

文件下载：dac101c085.pdf

产品概述

DAC101C08xx系列包括DAC101C081、DAC101C081Q和DAC101C085三款产品。其中，DAC101C081是一款单通道、10位电压输出的数模转换器，工作电压范围为2.7V至5.5V。其输出放大器支持轨到轨输出摆幅，具有6μs的建立时间，以电源电压为参考，可提供最宽的动态输出范围，在5.0V工作时典型功耗仅为132μA。该产品有6引脚SOT和WSON封装可供选择，并提供三种地址选项（引脚可选）。DAC101C081Q符合AEC Q100 Grade 1标准，适用于汽车级应用。而DAC101C085则提供九种 (I^{2} C^{TM}) 寻址选项，并使用外部参考，性能和建立时间与DAC101C081相同，采用8引脚VSSOP封装。

产品特性

高性能指标

分辨率与单调性：具有10位分辨率，确保10位单调性，能够提供精确的模拟输出。

线性度：积分非线性（INL）最大为±2 LSB，差分非线性（DNL）最大为+0.3/-0.2 LSB，保证了输出信号的线性度。

误差指标：零码误差最大为+10 mV，满量程误差最大为 -0.7 %FS，增益误差最大为 -0.7 %FS，确保了输出的准确性。

低功耗设计

宽电源范围：工作电源电压范围为2.7V至5.5V，适用于多种电源环境。

低功耗模式：在3.3V时最大功耗为156μA，具有三种电源关断模式，关断时电源电流可低至0.13μA（3V时）和0.15μA（5V时），非常适合电池供电的设备。

接口兼容性

(I^{2} C) 接口：支持标准（100kHz）、快速（400kHz）和高速（3.4MHz）三种模式的 (I^{2} C) 兼容2线接口，可与各种微控制器和处理器轻松连接。

封装优势

小尺寸封装：提供SOT、WSON和VSSOP等多种小尺寸封装，节省电路板空间，适用于对空间要求较高的应用。

内部结构与工作原理

功能框图

 

 

DAC101C08xx的功能框图包括电源上电复位、参考、DAC寄存器、10位DAC、输出缓冲器和 (I^{2} C) 接口等部分。其中，DAC101C081使用电源（VA）作为参考，而DAC101C085则使用外部参考（VREF）。

DAC部分

DAC部分采用单电阻串结构，由1024个等值电阻组成，每个电阻节点都有一个开关，通过DAC寄存器加载的代码来控制开关的闭合，从而将相应的节点连接到放大器。输入编码为直二进制，理想输出电压为 (V{OUT }=V{REF } times(D / 1024)) ，其中D为加载到DAC寄存器的二进制代码的十进制等效值，范围为0至1023。这种结构确保了DAC的单调性。

输出放大器

输出放大器为轨到轨放大器，当参考电压为VA时，输出电压范围为0V至VA。该放大器能够驱动2kΩ与1500pF并联的负载到地或VA，其零码和满量程输出在给定负载电流下的参数可在电气特性表中查询。

参考电压

DAC101C081使用电源（VA）作为参考，因此VA必须被视为参考电压，建议使用低输出阻抗的电压源来驱动参考电压。DAC101C085则带有外部参考电源引脚（VREF），应尽量保持VREF的干净。在应用信息部分，介绍了几种适当驱动参考电压的方法。

电源上电复位

电源上电复位电路在电源上电时控制DAC的输出电压，上电后DAC寄存器填充为零，输出电压为0V，直到对DAC进行有效的写操作。在复位设备时，必须将VA电源降低到最大200mV，然后再升高电源以确保ADC按规定工作。

同时复位

广播地址允许 (I^{2} C^{TM}) 主设备同时向多个DAC写入单个字。只要所有DAC都在同一 (I^{2} C^{TM}) 总线上，使用广播地址寻址总线时，每个DAC都会更新。这一特性允许主设备将共享 (I^{2} C^{TM}) 总线上的所有DAC复位到特定的数字代码。

编程与通信协议

(I^{2} C) 接口

DAC101C08xx采用 (I^{2} C) 兼容的2线串行接口，支持标准 - 快速模式（100kHz和400kHz）和高速模式（3.4MHz）。在使用时，SCL和SDA总线上需要上拉电阻或电流源，将总线拉高。逻辑零通过将输出拉低来传输，逻辑高通过释放输出并允许其被外部上拉来传输。上拉电阻的合适值取决于总线总电容和工作速度。

基本 (I^{2} C) 协议

(I^{2} C) 接口是双向的，允许多个设备在同一总线上工作。每个设备都有一个唯一的硬件地址，称为“从地址”。主设备通过发送从地址并监听从设备的响应（确认位）来与特定设备通信。如果地址匹配，从设备会将SDA总线拉低以确认（ACK）；如果地址不匹配，则让SDA被拉高以不确认（NACK）。在数据传输时，主设备写入数据时，从设备在每个数据字节成功接收后ACK；主设备读取数据时，主设备在每个数据字节接收后ACK，若不想继续读取，则在最后一个数据字节后NACK并在总线上创建停止条件。

标准 - 快速模式

在标准 - 快速模式下，主设备通过在SCL为高时将SDA从高拉低来生成起始条件，随后发送7位从地址和读写位。如果地址匹配，DAC101C081会ACK主设备；如果不匹配，则NACK。写操作时，主设备发送上8位数据，DAC101C081 ACK后，再发送下8位数据，DAC101C081再次ACK后，DAC输出更新。读操作时，DAC101C081发送上8位数据，主设备ACK后，再发送下8位数据，主设备在接收下8位数据后发送NACK，然后主设备生成停止条件或重复起始条件以结束或继续通信。

高速（Hs）模式

在Hs模式下，通信开始的事件序列与标准 - 快速模式略有不同。总线最初以标准 - 快速模式运行，主设备生成起始条件并发送8位Hs主代码（00001XXX）到DAC101C081，DAC101C081以NACK响应。当SCL线被拉高后，主设备通过提高总线速度并生成重复起始条件（在SCL拉高时将SDA拉低）切换到Hs模式，然后发送从地址，通信继续按照基本操作图进行。

(I^{2} C) 从（硬件）地址

DAC具有7位 (I^{2} C^{TM}) 从地址，由ADR0和ADR1地址选择输入配置。ADR0和ADR1可以接地、浮空或连接到VA，也可以设置为VA / 2。除了可选择的从地址外，还有一个广播地址（1001000），当总线以广播地址寻址时，所有DAC101C081和DAC101C085都会同步响应和更新。需要注意的是，地址选择输入仅在DAC被正确寻址（非广播地址）之前采样，一旦寻址成功，ADR0和ADR1输入将进入三态，从地址被“锁定”，除非设备电源循环，否则更改ADR0和ADR1不会更新所选从地址。

写入和读取DAC寄存器

写入DAC寄存器：主设备以正确的从地址寻址DAC，并将读写位写为“0”，如果寻址正确，DAC返回ACK。主设备先发送上数据字节，DAC响应ACK后，再发送下数据字节，DAC再次ACK后，DAC输出更新。主设备可以继续发送数据字节、生成停止条件或重复起始条件。

读取DAC寄存器：主设备以正确的从地址寻址DAC，并将读写位写为“1”，如果寻址正确，DAC返回ACK。DAC发送上数据字节，主设备ACK后，再发送下数据字节。假设只读取一个16位数据字，主设备在接收下数据字节后发送NACK，然后生成停止条件或重复起始条件。

应用场景与设计实例

双极性操作

DAC101C081设计用于单电源操作，输出为单极性。但通过特定电路可以实现双极性输出，例如使用一个运算放大器和一些电阻组成的电路，可提供±5V的输出电压范围。输出电压公式为 (V{O}=left(V{A} times(D / 1024) times((R 1+R 2) / R 1)-V{A} × R 2 / R 1right)) ，其中D为十进制输入代码。当 (V{A}=5 ~V) 且 (R 1=R 2) 时， (V_{0}=(10 × D / 1024)-5 V) 。适合该应用的轨到轨放大器有LMP7701、LMV841、LMC7111和LM7301等。

DSP/微处理器接口

2线总线接口：微控制器通过2线总线与DAC101C081连接时，需要选择合适的上拉电阻（Rp）来创建适当的总线上升时间，并限制总线上开漏输出设备吸收的电流。标准 - 快速模式总线应用中，典型的上拉电阻值为2kΩ至10kΩ。在DAC101C081附近的SCL和SDA串联电阻（RS）是可选的，如果预计2线总线上会有高压尖峰，则应使用串联电阻来过滤SDA和SCL上的电压，RS通常为51Ω。

Hs模式总线接口：与标准 - 快速模式总线接口类似，但在Hs模式下，SCL的指定上升时间缩短。为了实现更快的上升时间，主设备（微控制器）可以直接驱动SCL总线的高低电平，也可以减小上拉电阻的值或增加上拉电流以满足更严格的时序要求。

压力传感器增益调整

在一个正电源数据采集系统中，需要对压力传感器的输出进行数字化处理，并通过DAC101C081调整偏置电压来校正压力传感器输出的增益误差。压力传感器的输出与电阻桥的不平衡和DAC101C081的输出成正比，ADC161S626的输出则是压力传感器输出的函数，与ADC输入和DAC101C081输出电压的比值有关。

电源供应与布局建议

电源供应

由于DAC101C08xx从参考输入到输出的电源抑制比（PSRR）几乎为零，因此需要为参考电压提供无噪声的电源。DAC101C081功耗很低，可以使用参考源作为电源电压。为确保准确性，VA和VREF必须进行良好的旁路处理。以下是几种适合DAC101C081的参考和电源选项：

LM4132：温度精度为0.05%，4.096V版本适用于0至4.095V输出范围的应用。通过在 (V{IN }) 引脚和 (V{OUT}) 引脚分别旁路0.1μF和2.2μF的电容，可以提高稳定性并降低输出噪声。

LM4050：分流参考，精度为0.44%，有4.096V和5V版本。使用时需要选择合适的电阻值，以确保通过LM4050的最大电流不超过15mA，并且LM4050能够获得足够的最小电流进行调节。

LP3985：低噪声、超低压差电压调节器，温度精度为3%，有3.0V、3.3V和5V版本。输入需要1.0μF的电容，输出需要1.0μF的陶瓷电容，且ESR要求为5mΩ至500mΩ。

LP2980：超低压差调节器，根据等级不同，温度精度为0.5%或1.0%，有3.0V、3.3V和5V版本。需要在输出端连接至少1.0μF的电容以确保环路稳定性，2.2μF或更大的电容会提供更好的性能，电容的ESR应在LP2980数据手册规定的范围内。

布局建议

为了获得最佳的准确性和最小的噪声，包含DAC101C08xx的印刷电路板需要划分模拟和数字区域，由模拟和数字电源平面的位置来定义。两个平面应位于同一板层，并且最好使用单个接地平面。如果数字返回电流不流经模拟接地区域，单个接地平面设计是首选；如果需要，也可以使用单独的接地平面，但必须在一处连接，最好靠近DAC101C08xx。此外，应避免模拟和数字信号交叉，将时钟和数据线放在电路板的元件侧，并确保它们具有受控的阻抗。DAC101C08xx的电源应使用4.7μF和0.1μF的电容进行旁路，0.1μF的电容应尽可能靠近设备的电源引脚。

总结

DAC101C08xx系列10位微功耗数模转换器以其高性能、低功耗、小尺寸和 (I^{2} C) 接口兼容性等优点，成为了众多应用场景的理想选择。无论是工业过程控制、便携式仪器、可编程电压和电流源，还是汽车电子等领域，DAC101C08xx都能发挥出其独特的优势。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择电源供应和布局方案，以确保DAC101C08xx的性能得到充分发挥。希望通过本文的介绍，能让大家对DAC101C08xx有更深入的了解，为电子设计工作提供有益的参考。

你在使用DAC101C08xx的过程中遇到过哪些问题？或者有什么独特的应用经验？欢迎在评论区分享交流！