DAC8830-EP和DAC8831-EP高性能16位数模转换器的深度解析

 

在电子设计领域，数模转换器（DAC）是连接数字世界和模拟世界的关键桥梁。今天，我们要深入探讨德州仪器（Texas Instruments）旗下Burr - Brown产品线的两款优秀产品——DAC8830和DAC8831，这两款16位串行输入电压输出DAC，在众多应用场景中都展现出了卓越的性能。

文件下载：dac8831-ep.pdf

应用领域广泛

DAC8830和DAC8831的应用范围十分广泛，涵盖了便携式设备、自动测试设备、工业过程控制、数据采集系统以及光网络等领域。这些应用场景对DAC的性能、精度和稳定性都有较高的要求，而这两款产品正好能够满足这些需求。

产品特性突出

基本参数与性能

• 电源与输出：这两款DAC采用单3V至5V电源供电，输出无缓冲，有效降低了功耗和缓冲引入的误差。DAC8830输出范围为0V至$V{REF}$，DAC8831在与外部缓冲器配合使用时可提供双极性模式输出（$\pm V{REF}$）。
• 精度与稳定性：在-55°C至125°C的宽温度范围内，它们具有出色的线性度、低毛刺、低噪声和快速稳定时间。分辨率高达16位，差分线性误差在所有等级下均控制在±0.5至±1 LSB之间，能够提供高精度的模拟输出。
• 低功耗设计：以3V电源为例，典型功耗仅为15μW，非常适合对功耗敏感的应用场景。

接口与功能

• 高速串行接口：配备标准的高速SPI串行接口，时钟频率最高可达50MHz，可与DSP或微处理器进行高效通信。
• 上电复位功能：两款产品均具备上电复位功能，上电后DAC锁存器和输入寄存器初始化为全0，确保输出处于已知状态。不过，需要注意的是，串行寄存器在上电时不会清零，因此首次加载数据时应加载16位或更多位，以避免输出出现错误数据。

电气特性详解

静态性能

• 分辨率：16位的分辨率为系统提供了高精度的模拟输出能力。
• 线性误差：在不同温度条件下，线性误差控制在一定范围内。例如，在TA = 25°C时，线性误差为±0.5至±1 LSB；在TA = -55°C至125°C时，DAC8830的线性误差为±0.5至±1.5 LSB，DAC8831的线性误差在不同温度区间有所变化，但总体仍能保证较高的精度。
• 增益误差与漂移：增益误差在TA = 25°C时为±1至±7 LSB，增益漂移在TA = -55°C至125°C时为±0.1 ppm/°C，确保了在不同温度下输出的稳定性。

输出特性

• 电压输出：DAC8830为单极性输出（0至$V{REF}$），DAC8831在单极性模式下输出范围与DAC8830相同，在双极性模式下输出范围为-$V{REF}$至$V_{REF}$。
• 输出阻抗与稳定时间：输出阻抗为6.25 kΩ，稳定时间为1μs（至FS的1/2 LSB，CL = 10 pF），能够快速稳定地输出模拟信号。
• 噪声与毛刺：数字到模拟的毛刺在1 LSB变化时较小，输出噪声在TA = 25°C时为10 nV/√Hz，保证了输出信号的纯净度。

参考输入与数字输入

• 参考输入：参考输入电压范围为1.25V至VDD，参考输入阻抗和电容与代码有关。信号 - 噪声比（SNR）高达92 dB，为系统提供了高质量的参考信号。
• 数字输入：输入电压和电流在不同电源电压下有明确的规格，输入电容为10 pF，滞后电压为0.4V，确保了数字信号的准确传输。

工作原理剖析

数模转换架构

DAC8830和DAC8831的DAC架构由两个匹配的DAC部分组成，采用分段式设计。16位数据字的前4位用于解码驱动15个开关，连接15个匹配电阻到AGND或VREF；剩余的12位驱动12位电压模式R - 2R梯形网络的开关。

串行接口通信

数字接口采用标准的3线连接，兼容SPI、QSPI、Microwire和德州仪器DSP接口，最高工作速度可达50 Mbps。数据传输由片选信号CS控制，总线主设备通过驱动CS低电平来访问DAC，数据在SCLK的下降沿同步移出，上升沿锁存到输入移位寄存器，MSB优先。

应用电路设计

单极性输出操作

这两款DAC能够驱动60 kΩ的无缓冲负载，单极性输出模式下，DAC8830输出范围为0至$V_{REF}$，DAC8831也可配置为单极性输出。通过特定的电路设计和代码设置，可以实现不同的模拟输出电压。

双极性输出操作

DAC8831借助外部运算放大器可实现双极性电压输出。通过连接匹配的双极性偏移电阻$R{FB}$和$R{INV}$到外部运算放大器，能够实现±$V_{REF}$的输出范围。在设计双极性输出电路时，需要注意运算放大器的选择和参数匹配，以确保输出的精度和稳定性。

输出放大器选择

在双极性模式下，应选择精密放大器，并采用双电源供电。放大器需要具备低失调电压、低输入偏置电流、轨到轨输入和输出性能、高输入阻抗、1 MHz或更高的3 dB带宽以及合适的压摆率，以确保系统的快速稳定和高精度输出。

参考与接地设计

由于输入阻抗与代码有关，参考引脚应从低阻抗源驱动。DAC8830和DAC8831的参考电压范围为1.25V至VDD，参考电压低于1.25V会导致精度降低。为了获得最佳性能，DAC8831提供了Kelvin检测连接，在不需要单独的强制和检测线时，应将它们在靠近封装处连接在一起，以减少封装引脚和内部管芯之间的电压降。

电源与参考旁路

为了实现高精度的高分辨率性能，建议在参考和电源引脚处使用10μF钽电容与0.1μF陶瓷电容并联进行旁路，以减少电源噪声对DAC性能的影响。

总结

DAC8830和DAC8831以其高精度、低功耗、宽温度范围和灵活的输出模式等优点，成为众多电子设计中的理想选择。在实际应用中，我们需要根据具体的需求，合理设计电路，选择合适的外部元件，以充分发挥这两款DAC的性能优势。希望通过本文的介绍，能帮助各位工程师更好地了解和应用这两款优秀的数模转换器。大家在使用过程中遇到过哪些问题或者有什么独特的设计经验，欢迎在评论区分享交流！