DAC102S085：10位微功耗双数模转换器的深度解析

 

在电子设计领域，数模转换器（DAC）的性能直接影响着系统的整体表现。今天，我们就来深入探讨一款备受关注的产品——DAC102S085，这是一款10位微功耗双数模转换器，具有诸多出色的特性，适用于多种应用场景。

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一、产品概述

DAC102S085是一款功能齐全、通用的双10位电压输出数模转换器。它可以在2.7V至5.5V的单电源下工作，功耗极低，在3V时仅消耗0.6mW，在5V时消耗1.6mW。该产品采用10引脚WSON和VSSOP封装，其中10引脚WSON封装使其成为同类产品中最小的双DAC。

二、关键特性

2.1 性能卓越

• 单调性保证：确保输出电压随输入数字代码单调变化，避免了在某些应用中可能出现的异常波动。
• 轨到轨输出：片上输出放大器支持轨到轨输出摆幅，能够充分利用电源电压范围，提供更宽的输出动态范围。
• 高速串行接口：三线串行接口在整个电源电压范围内可支持高达40MHz的时钟速率，相比竞品在2.7V至3.6V电源电压范围内25MHz的时钟速率限制，具有明显优势。而且该接口兼容标准SPI™、QSPI、MICROWIRE和DSP接口，方便与各种微处理器和数字信号处理器连接。

2.2 功能丰富

• 同时输出更新：可以同时更新两个通道的输出，适用于需要同步输出的应用场景。
• 宽电源范围：2.7V至5.5V的宽电源电压范围，增加了产品的适用性和灵活性。
• 多种功耗模式：具有电源关闭模式，在电源关闭模式下，功耗可降低至微瓦级别，有助于延长电池供电设备的续航时间。

2.3 高精度指标

• 分辨率：10位分辨率能够提供较为精细的模拟输出。
• 积分非线性（INL）：最大±2 LSB，保证了输出的线性度。
• 微分非线性（DNL）：最大+0.35或 -0.25 LSB，确保每个代码步长的准确性。
• 建立时间：最大6µs，能够快速响应输入代码的变化。

三、引脚配置与功能

DAC102S085的引脚配置清晰，每个引脚都有明确的功能。例如，VA为电源输入引脚，必须与地进行去耦；VREFIN为模拟输入引脚，是所有通道共享的无缓冲参考电压，同样需要与地去耦。DIN为串行数据输入引脚，数据在SCLK的下降沿被时钟输入到16位移位寄存器中。SYNC为数据输入的帧同步输入引脚，用于控制数据传输的开始和结束。

四、工作原理

4.1 DAC部分

DAC102S085采用CMOS工艺制造，其架构由开关和电阻串组成，后面跟随一个输出缓冲器。参考电压通过VREFIN外部施加，并由两个DAC共享。输入编码为直二进制，理想输出电压可通过公式 $V{OUTA,B }=V{REFIN } \times(D / 1024)$ 计算，其中D是加载到DAC寄存器的二进制代码的十进制等效值。

4.2 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。不过，所有放大器在输出接近电源轨时都会出现线性度损失，因此线性度通常在小于DAC全输出范围的区间内进行指定。

4.3 电源复位

上电复位电路确保DAC输出在上电时为0V，并保持该状态直到有有效的写入操作。

五、功能模式

5.1 电源关闭模式

DAC102S085具有四种电源关闭模式，其中两种模式相同。在电源关闭模式下，3V时电源电流降至20µA，5V时降至30µA。通过设置OP1和OP0为11可进入电源关闭模式，同时可通过设置A1和A0选择不同的输出终端方式，如三态（高阻抗状态）或通过2.5kΩ或100kΩ接地。

5.2 编程模式

• 串行接口：三线接口兼容SPI™、QSPI和MICROWIRE以及大多数DSP，时钟速率高达40MHz。写入序列从SYNC线拉低开始，数据在SCLK的下降沿被时钟输入到16位串行输入寄存器中。
• 输入移位寄存器：输入移位寄存器有16位，第一位必须设置为0，第二位为地址位，用于确定寄存器数据是针对DAC A还是DAC B。后面两位用于确定操作模式，最后12位为数据位。

六、应用案例

6.1 电池供电仪器

由于其低功耗特性，DAC102S085非常适合用于电池供电的仪器，能够有效延长电池续航时间。

6.2 数字增益和偏移调整

可用于调整系统的增益和偏移，提高系统的准确性和稳定性。

6.3 可编程电压和电流源

为系统提供可编程的电压和电流输出，满足不同的应用需求。

6.4 驱动ADC参考

在驱动ADC参考的应用中，DAC102S085可以为传感器提供可调的电源电压，优化传感器输出，同时为ADC提供参考电压，实现比例式设计，减少电源波动对系统的影响。

七、设计建议

7.1 电源供应

由于从参考输入（VREFIN）到VOUTs的路径基本上没有电源抑制比（PSRR），因此需要为VREFIN提供无噪声的电源电压。为了充分利用DAC102S085的动态范围，可将电源引脚（VA）和VREFIN连接在一起，共享同一电源电压。可以选择参考源作为参考输入或电源电压，如LM4130、LM4050等，它们具有较高的准确性和稳定性。

7.2 布局设计

为了获得最佳的准确性和最小的噪声，包含DAC102S085的印刷电路板应具有单独的模拟和数字区域。模拟和数字电源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，可采用围栏技术防止模拟和数字接地电流混合。同时，DAC102S085的电源应使用10µF和0.1µF的电容进行去耦，并且避免模拟和数字信号交叉，保持时钟和数据线在元件侧，并控制其阻抗。

八、总结

DAC102S085以其低功耗、高精度、宽电源范围和丰富的功能特性，成为了电子设计中一款非常有竞争力的数模转换器。无论是在电池供电设备还是其他对功耗和性能有要求的应用中，它都能发挥出色的作用。在设计过程中，我们需要充分考虑其电源供应和布局设计等方面的要求，以确保系统的稳定性和可靠性。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DAC102S085。大家在实际使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。