深入剖析DAC8814：一款高性能的16位数字模拟转换器

 

在电子工程师的日常设计工作中，数字 - 模拟转换器（DAC）是不可或缺的关键组件。今天，我们就来详细探讨德州仪器（Texas Instruments）推出的DAC8814，一款四通道、串行输入的16位乘法型数字 - 模拟转换器。

文件下载：dac8814.pdf

产品概述

DAC8814专为在单 +2.7 - 5.0V电源下工作而设计，它包含四个独立的16位电流输出DAC，每个DAC都有自己独立的乘法参考输入。该转换器具有出色的性能指标，如最大1 LSB的相对精度和差分非线性度，2 mA的满量程电流（(V_{REF}= \pm 10 V)时），0.5 μs的建立时间等，适用于自动测试设备、仪器仪表以及数字控制校准等多种应用场景。

关键特性分析

静态性能

• 分辨率：16位的分辨率确保了能够实现高精度的模拟输出，满足大多数高精度应用的需求。
• 相对精度和差分非线性度：DAC8814C型号的相对精度和差分非线性度最大为±1 LSB，而DAC8814B型号的相对精度最大为±4 LSB，差分非线性度最大为±1.5 LSB。这使得转换器在转换过程中能够保持较高的线性度，减少误差。
• 输出泄漏电流：在数据为0000h且环境温度为25°C时，输出泄漏电流仅为10 nA，这意味着在低电平输出时，转换器的功耗非常低，有利于提高系统的能效。

参考输入特性

• 参考电压范围：参考输入电压范围为 -15 V至 +15 V，这使得DAC8814能够适应不同的参考电压源，增加了其应用的灵活性。
• 输入电阻和匹配：输入电阻典型值为5 kΩ，通道间的输入电阻匹配误差不超过1%，保证了各个通道的参考输入一致性。

模拟输出特性

• 输出电流：在数据为FFFFh时，输出电流范围为1.6 - 2.5 mA，能够满足大多数负载的驱动需求。
• 输出电容：输出电容与输出代码有关，在设计外部电路时需要考虑其对信号的影响。

逻辑输入和输出特性

• 输入电压范围：输入低电压在 (V{DD}= +2.7 V) 时为0.6 V，在 (V{DD}= +5 V) 时为0.8 V；输入高电压在 (V{DD}= +2.7 V) 时为2.1 V，在 (V{DD}= +5 V) 时为2.4 V。这使得DAC8814能够与不同电平的逻辑电路兼容。
• 输入泄漏电流：输入泄漏电流最大为1 μA，对前级电路的负载影响较小。

交流特性

• 输出电压建立时间：在达到满量程的±0.1%时，建立时间典型值为0.3 μs；在达到±0.0015%时，建立时间为0.5 μs，能够快速响应输入数据的变化。
• 参考乘法带宽：参考乘法带宽为10 MHz，使得转换器能够处理高频信号。
• 总谐波失真：在 (V{REF}= 5 V{PP}) 、数据为FFFFh、频率为1 kHz时，总谐波失真为 -105 dB，保证了输出信号的纯净度。

电路原理剖析

D/A转换原理

DAC8814采用四个电流舵型R - 2R梯形DAC，每个DAC都有一个匹配的反馈电阻，用于与外部I - V转换器放大器配合使用。其输出电压由参考电压 (V{REF}) 和数字数据 (D) 决定，计算公式为 (V{OUT }=-V{REF } × \frac{D}{65536}) 。需要注意的是，对于直流参考电压，输出极性与 (V{REF}) 极性相反。

串行数据接口

DAC8814使用3线SPI兼容串行数据接口，数据以18位数据字格式时钟输入到串行输入寄存器，MSB位先加载。数据在CLK的正时钟沿，且满足数据建立和保持时间要求时，被时钟输入到寄存器。只有当CS芯片选择引脚为低电平时，数据才能被时钟输入。当CS引脚返回高电平时，只查询最后18位时钟输入到串行寄存器的数据。

电源复位

当 (V{DD}) 电源开启时，内部复位脉冲会根据MSB引脚的电压，将所有输入和DAC寄存器强制设置为零代码状态或半量程状态。为了获得一致的结果， (V{DD}) 电源应具有平滑的正斜坡，尤其是在2.3 V附近。

PCB布局要点

由于DAC8814是高精度DAC，接地和PCB走线电阻可能会影响其性能。为了确保最佳性能，建议将所有 (A{GND} X) 引脚直接连接到单元的模拟接地平面。每个通道I/V转换器的非反相输入应直接连接到模拟接地平面，或有单独的感测走线返回 (A{GND} X) 引脚连接。反馈电阻到I/V转换器的走线应尽量短，且电阻要低，以防止IR降导致增益误差。

应用案例分析

单极性输出应用

DAC8814作为2象限乘法DAC，可用于生成单极性输出。满量程输出 (I{OUT}) 的极性与 (V{REF}) 处的输入参考电压相反，输出电压计算公式为 (V{OUT }=\left(\frac{D}{32,768}-1\right) × V{REF }) 。

四象限乘法应用

对于需要全4象限乘法能力或双极性输出摆幅的应用，可添加一个外部运算放大器A2作为求和放大器。在这个电路中，前两个放大器（A1和A2）提供2倍增益，将输出范围扩展到20 V。通过使用10 V的参考电压偏移来偏置A2，实现4象限乘法电路。输入数据 (D) 从代码0到满量程，可产生 -10 V到 +10 V的输出电压。

在实际应用中，电子工程师们需要根据具体的需求，综合考虑DAC8814的各项特性，合理设计电路和PCB布局，以充分发挥其性能优势。大家在使用DAC8814的过程中，有没有遇到过一些独特的问题或者有什么特别的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。