DAC082S085 8位微功耗双数模转换器数据手册

深入剖析DAC082S085：8位微功耗双数模转换器的卓越之选

在电子设计领域，数模转换器（DAC）犹如一座桥梁，连接着数字世界与模拟世界。今天，我们将深入探讨一款性能卓越的DAC——DAC082S085，它由德州仪器（TI）精心打造，具备诸多令人瞩目的特性，适用于各种对功耗和性能有严格要求的应用场景。

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1. 器件概述

DAC082S085是一款功能完备、用途广泛的双路8位电压输出数模转换器。它能够在2.7V至5.5V的单电源下稳定工作，在3V供电时功耗仅为0.6mW，5V供电时也不过1.6mW，堪称低功耗设计的典范。该器件采用10引脚SON和VSSOP封装，其中10引脚WSON封装使其成为同类产品中体积最小的双路DAC，为空间受限的设计提供了理想解决方案。

2. 关键特性

2.1 性能卓越

• 分辨率与单调性：拥有8位分辨率，确保了输出的精度和稳定性，同时保证了单调性，即输入代码增加时，输出电压不会降低。
• 线性度：积分非线性（INL）最大为±0.5 LSB，差分非线性（DNL）在-0.13至0.18 LSB之间，有效减少了输出误差，提高了转换的准确性。
• 建立时间：最大建立时间为4.5µs，能够快速响应输入信号的变化，满足实时性要求较高的应用。

2.2 输出特性

• 轨到轨输出：片上输出放大器支持轨到轨输出摆幅，输出电压范围为0至参考电压，提供了更宽的动态范围。
• 驱动能力：能够驱动2kΩ并联1500pF的负载到地或电源，满足多种负载需求。

2.3 接口优势

• 高速串行接口：三线串行接口在整个电源电压范围内时钟速率最高可达40MHz，相比竞品在2.7V至3.6V电源电压范围内仅25MHz的时钟速率，具有明显优势。
• 兼容性强：与标准SPI™、QSPI、MICROWIRE和DSP接口兼容，方便与各种微控制器和数字信号处理器连接。

2.4 低功耗设计

• 正常工作功耗低：在3V和5V供电时的典型功耗分别为0.6mW和1.6mW，有效降低了系统功耗。
• 掉电模式：具备掉电模式，在3V和5V供电时的掉电功耗分别低至0.3µW和0.8µW，进一步节省能源。

3. 应用领域

DAC082S085的低功耗、小封装和高性能特点使其在众多领域得到广泛应用，例如：

• 电池供电仪器：如便携式医疗设备、手持测试仪器等，低功耗特性延长了电池续航时间。
• 可编程电压和电流源：为电路提供精确的电压和电流输出，满足不同应用的需求。
• 可编程衰减器：实现信号的精确衰减控制。

4. 详细解析

4.1 架构设计

DAC082S085采用CMOS工艺制造，其架构由开关和电阻串组成，后面跟随输出缓冲器。参考电压通过VREFIN引脚外部施加，由两个DAC共享。电阻串由256个等值电阻组成，每个电阻节点都有一个开关，通过加载到DAC寄存器的代码控制开关闭合，从而连接相应节点到放大器，实现数字到模拟的转换。

4.2 输出放大器

输出放大器为轨到轨类型，当参考电压为电源电压时，输出电压范围为0至电源电压。不过，在输出接近电源轨时，放大器的线性度会有所下降，因此线性度指标通常在小于DAC全输出范围的区间内规定。该放大器能够驱动特定负载，其零代码和满量程输出在不同负载电流下的参数可在电气特性部分查看。

4.3 参考电压

DAC082S085使用单个外部参考电压，由两个通道共享。VREFIN引脚未经过缓冲，输入阻抗为60kΩ，建议使用低输出阻抗的电压源驱动该引脚，参考电压范围为1V至电源电压，以提供最大的输出动态范围。

4.4 上电复位

上电复位电路在电源上电时控制两个DAC的输出电压。上电后，DAC寄存器被清零，输出电压为0V，直到对DAC进行有效写操作。

4.5 电源关断模式

DAC082S085具备四种电源关断模式，其中两种模式相同。在电源关断模式下，偏置发生器、输出放大器、电阻串和其他线性电路均被关闭，但DAC寄存器的内容不受影响。通过将SYNC和DIN置低、禁用SCLK，可实现最低功耗。退出电源关断模式的唤醒时间在时序要求中有详细说明。

4.6 编程方法

4.6.1 串行接口

三线接口与SPI™、QSPI和MICROWIRE以及大多数DSP兼容，时钟速率最高可达40MHz。写操作从将SYNC线拉低开始，此时DIN线上的数据在SCLK的下降沿被时钟输入到16位串行输入寄存器。在第16个下降沿，最后一位数据被时钟输入，编程功能执行。SYNC线可保持低电平或拉高，但在下次写操作前必须拉高至规定的最小时间。为降低功耗，SYNC和DIN在写操作之间应置低。

4.6.2 输入移位寄存器

输入移位寄存器有16位，第一位必须置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。后续两位决定操作模式，最后12位为数据位。数据格式为直二进制，最高有效位（MSB）在前。

4.6.3 与微处理器和DSP的接口

• ADSP - 2101/ADSP2103：DSP需设置为SPORT传输交替帧模式，通过SPORT控制寄存器编程，配置为内部时钟操作、低电平有效帧和16位字长。
• 80C51/80L51：SYNC信号来自微控制器的位可编程引脚，由于该微控制器传输8位字节，需分两次写操作完成数据加载，且要注意数据传输的位顺序。
• 68HC11：SYNC线由端口线驱动，该微控制器需将CPOL位设为0，CPHA位设为1，以确保数据在SCLK下降沿有效。同样需要分两次写操作完成数据加载。
• Microwire接口：Microwire设备的SK信号需反相后驱动DAC082S085的SCLK。

5. 应用案例：双极性操作

虽然DAC082S085设计为单电源操作，输出为单极性，但通过特定电路可实现双极性输出。例如，使用图35所示电路可获得±5V的输出电压范围，此时需使用轨到轨放大器。该电路的输出电压计算公式为VO = (VA × D / 256) × ((R1 + R2) / R1) - VA × R2 / R1 ，其中D为十进制输入代码。同时，文档还列出了适合该应用的一些轨到轨放大器。

6. 电源供应建议

由于DAC082S085从参考输入到输出的电源抑制比（PSRR）几乎为零，因此需要为VREFIN提供无噪声的电源电压。为充分利用DAC的动态范围，可将电源引脚和参考输入连接到同一电源。此外，还可以使用一些参考源作为电源，如LM4130、LM4050、LP3985和LP2980等，不同参考源具有不同的特点和适用场景，在选择时需根据具体应用需求进行考虑。

7. 布局要点

为实现最佳精度和最低噪声，在印刷电路板（PCB）布局时，应将模拟和数字区域分开，通过模拟和数字电源平面的位置来定义这两个区域，且两个平面应位于同一电路板层。建议使用单个接地平面，若数字返回电流不流经模拟接地区域，可采用围栏技术防止模拟和数字接地电流混合；若围栏技术不适用，则使用单独的接地平面，但需在靠近DAC082S085的位置连接。同时，要注意避免模拟和数字信号交叉，将时钟和数据线布在元件面，并控制其阻抗。此外，DAC082S085的电源需使用10µF和0.1µF的电容进行旁路，且0.1µF电容应尽可能靠近器件的电源引脚。

总结

DAC082S085以其低功耗、高性能、小封装和丰富的功能特性，为电子工程师在设计中提供了一个优秀的选择。无论是在电池供电设备还是对精度和速度有要求的应用中，它都能展现出出色的性能。在实际应用中，工程师们需要根据具体需求，合理选择电源供应方案、进行PCB布局，并掌握正确的编程方法，以充分发挥该器件的优势。你在使用DAC082S085或类似器件时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。