解析DAC7553：12位双路超低毛刺电压输出数模转换器

 

在电子设计领域，数模转换器（DAC）是连接数字世界与模拟世界的关键桥梁。今天我们要深入探讨的是德州仪器（TI）的DAC7553，一款具有卓越性能的12位双路超低毛刺电压输出数模转换器。

文件下载：dac7553.pdf

一、DAC7553的卓越特性

电源与性能

• 宽电源范围：支持2.7 - 5.5V的单电源供电，能适应多种电源环境，为不同的应用场景提供了灵活性。
• 高精度与单调性：具备12位的线性度和单调性，确保了输出的准确性和稳定性。
• 快速响应：输出电压的建立时间最大为5µs，能够快速响应输入信号的变化。
• 超低毛刺与串扰：毛刺能量低至0.1nVs，通道间串扰低至 - 100dB，有效减少了信号干扰，提高了输出信号的质量。

低功耗设计

• 正常工作低功耗：正常工作时电流最大为440µA，降低了整体功耗。
• 单通道关断模式：每个通道都有独立的关断功能，关断时电流最大仅为2µA，进一步节省了能源。
• 上电复位至中值：上电时所有通道自动复位到中值电压，直到写入有效数据，方便了系统的初始化。

通信接口

• 高速SPI兼容接口：采用标准的3线串行接口，时钟速率最高可达50MHz，与SPI、QSPI、Microwire和DSP接口标准兼容，便于与各种微控制器和数字信号处理器连接。
• 菊花链功能：支持菊花链连接，可轻松扩展多个DAC7553芯片，满足更复杂的系统需求。
• 异步硬件清零：通过CLR引脚可实现异步硬件清零，将DAC寄存器置为000H，输出恢复到中值电压。

二、电气特性详解

静态性能

• 分辨率：12位分辨率，能够提供更精细的模拟输出。
• 相对精度：相对精度在±0.35 - ±1 LSB之间，保证了输出的准确性。
• 差分非线性：设计上保证了单调性，差分非线性在±0.08 - ±0.5 LSB之间。

输出特性

• 输出电压范围：输出电压范围为0 - VREF，可根据外部参考电压灵活调整。
• 输出电压建立时间：在负载电阻为2kΩ、电容为0 - 200pF的情况下，建立时间最大为5µs。
• 压摆率：压摆率为1.8V/µs，能够快速响应电压变化。

功耗与效率

• 电源电压：电源电压范围为2.7 - 5.5V，IOVDD可低至1.8V，但会有轻微的时序下降。
• 工作电流：正常工作时电流根据电源电压不同在250 - 440µA之间，关断模式下电流在0.05 - 2µA之间。
• 电源效率：在负载电流为2mA、电源电压为5V时，输出电流与电源电流的比值可达93%，具有较高的电源效率。

三、引脚功能与典型特性

引脚功能

DAC7553采用16引脚的QFN封装，各引脚功能明确。例如，VOUTA和VOUTB为两个通道的模拟输出引脚，VREFA和VREFB为参考电压输入引脚，PD为电源关断引脚，SDIN和SDO为串行数据输入和输出引脚等。

典型特性曲线

文档中给出了大量的典型特性曲线，如线性误差与数字输入代码的关系、零刻度误差、灌电流与拉电流特性、电源电流特性等。这些曲线直观地展示了DAC7553在不同工作条件下的性能表现，为工程师的设计提供了重要参考。

四、工作原理剖析

D/A转换部分

DAC7553采用电阻串DAC架构，后面跟随输出缓冲放大器。输入的2s补码编码数据经过处理后，通过电阻串分压得到相应的电压，再经过缓冲放大器输出。理想输出电压公式为$V_{OUT }= VREF × D / 4096$，其中D为加载到DAC寄存器的2s补码输入的十进制等效值，范围从0到4095。

电阻串

电阻串由一系列阻值为R的电阻组成，数字代码决定了从电阻串的哪个节点提取电压输入到输出放大器。为了减少通道间串扰，采用了四个独立的电阻串。

输出缓冲放大器

输出缓冲放大器能够实现轨到轨的电压输出，输出范围为0V到VDD。它可以驱动2kΩ并联最大1000pF的负载到地，压摆率为1.8V/µs，无负载时典型建立时间为3µs。

外部参考输入与放大器反馈

提供两个独立的参考引脚VREFA和VREFB，分别为两个DAC提供参考电压，可根据需要将它们短接。放大器反馈输入引脚VFBA和VFB必须分别连接到VOUTA和VOUTB，以实现电压输出操作，同时也可用于数字控制电流源等应用。

上电复位与逻辑电平转换

上电时，所有内部寄存器清零，所有通道更新为中值电压。为避免开启ESD保护器件，应先施加VDD电压。DAC7553的数字输入和输出引脚都配备了电平转换电路，可适应不同逻辑电平的系统，IOVDD引脚连接到系统的逻辑电源电压。

五、串行接口与编程

3线串行接口

DAC7553的数字接口是标准的3线SPI/QSPI/Microwire/DSP兼容接口，时钟速率最高可达50MHz。通过控制16位的输入字，可实现对不同通道的存储、更新等操作。

16位输入字与寄存器操作

输入移位寄存器为16位，由4位控制位和12位DAC数据组成。控制位决定了是更新输入寄存器、DAC寄存器还是两者都更新，以及数据是针对哪个通道或所有通道。数据采用2s补码格式，MSB先输入。

菊花链模式

当DCEN引脚置高时，支持菊花链模式。在该模式下，SDO引脚输出延迟16个时钟周期的SDIN数据，多个DAC7553可通过菊花链连接，共享SCLK和SYNC信号，实现数据的级联传输。

六、应用领域与案例分析

波形生成

由于其卓越的线性度、低毛刺和低串扰特性，DAC7553非常适合用于波形生成，可生成从DC到10kHz的波形。大信号建立时间为5µs，支持200KSPS的更新速率，若波形由小电压步长组成，更新速率可超过1MSPS。为获得高动态范围，推荐使用REF3140（4.096V）或REF02（5V）作为参考电压源。

精密工业控制

在工业控制应用中，DAC7553可用于生成±5V、±10V和±12V的输出。通过合理选择电阻R1和R2，并结合电压参考源，可实现不同电压范围的输出。在控制回路中，DAC的分辨率和差分线性度对回路精度至关重要，DAC7553的12位单调性和±0.08 LSB的典型DNL误差使其成为精密控制回路的理想选择。同时，其低毛刺特性有助于提高回路的稳定性和响应速度。

七、封装与订购信息

DAC7553采用16引脚的QFN封装，有不同的订购选项，如250件和2500件的卷带包装。在选择封装和订购时，可参考文档末尾的封装选项附录或TI官网获取最新信息。

DAC7553以其卓越的性能、低功耗设计和丰富的功能，为电子工程师在波形生成、工业控制等领域的设计提供了一个强大而可靠的选择。在实际应用中，我们需要根据具体的需求，合理选择电源、参考电压和负载，充分发挥DAC7553的优势，实现高质量的数模转换。你在使用DAC的过程中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。