探索DAC081S101：8位微功耗数模转换器的卓越性能与应用

 

在电子工程师的日常工作中，数模转换器（DAC）是不可或缺的关键组件，它能将数字信号转换为模拟信号，广泛应用于各种电子设备中。今天，我们就来深入探讨TI公司的DAC081S101这款8位微功耗数模转换器，看看它有哪些独特之处和应用场景。

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一、产品概述

DAC081S101是一款功能齐全、通用的8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，在3.6V电压时仅消耗175µA的电流，具有低功耗的显著优势。其片上输出放大器支持轨到轨输出摆幅，三线串行接口在指定电源电压范围内的时钟速率最高可达30MHz，并且与标准的SPI™、QSPI、MICROWIRE和DSP接口兼容。相比之下，同类竞争设备在2.7V至3.6V电源电压范围内的时钟速率限制在20MHz。

二、产品特性

（一）性能保障

• 单调性保证：确保输出信号随输入代码的增加而单调变化，避免了输出信号的波动和不稳定，为系统的稳定性提供了保障。
• 轨到轨电压输出：输出电压范围能够覆盖电源电压的整个范围，即从0V到电源电压$V_{A}$，提供了更宽的动态范围，适用于多种不同的应用场景。
• 上电复位至零伏输出：在上电时，DAC输出自动复位到零伏，直到有有效的写入操作，这有助于系统的初始化和稳定启动。

（二）电源与功耗优势

• 宽电源范围：支持+2.7V至+5.5V的电源电压范围，增加了产品的灵活性，使其能够适应不同的电源环境。
• 低功耗运行：正常模式下功耗低，例如在3.6V时功耗为0.63mW（典型值），并且具有掉电功能，可将功耗降低到小于1微瓦，非常适合电池供电的设备。

（三）接口与功能特点

• 三线串行接口：与多种标准接口兼容，方便与各种微处理器和DSP进行连接，简化了系统设计。
• SYNC中断功能：提供了灵活的同步和控制机制，允许在特定条件下中断写入序列，提高了系统的响应速度和控制精度。

三、应用领域

（一）电池供电仪器

由于其低功耗和小封装的特点，DAC081S101非常适合用于电池供电的仪器，如便携式测量设备、手持医疗设备等，能够有效延长电池的使用寿命。

（二）数字增益和失调调整

在信号处理系统中，可用于精确调整增益和失调，提高系统的精度和稳定性。

（三）可编程电压和电流源

能够根据需要生成可编程的电压和电流输出，满足不同应用对电源的多样化需求。

（四）可编程衰减器

在通信和音频系统中，可作为可编程衰减器使用，实现信号的精确衰减和调节。

四、关键规格参数

参数	数值
分辨率	8位
DNL	+0.04， -0.02 LSB（典型值）
输出建立时间	3µs（典型值）
零码误差	3.8mV（典型值）
满量程误差	-0.07 %FS（典型值）
正常模式功耗	0.63mW（3.6V）/ 1.41mW（5.5V） 典型值
掉电模式功耗	0.14µW（3.6V）/ 0.33µW（5.5V） 典型值

这些参数反映了DAC081S101的高精度和高性能，为工程师在设计系统时提供了重要的参考依据。

五、功能描述

（一）DAC部分

DAC081S101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。电源电压作为参考电压，输入编码为直二进制，理想输出电压为$V{OUT}=V{A} x(D / 256)$，其中D是加载到DAC寄存器的二进制代码的十进制等效值，范围为0到255。

（二）电阻串

电阻串由4096个等值电阻组成，每个电阻节点都有一个开关，还有一个接地开关。加载到DAC寄存器的代码决定了哪个开关闭合，将相应的节点连接到放大器，这种配置保证了DAC的单调性。

（三）输出放大器

输出缓冲放大器为轨到轨类型，输出电压范围为0V到$V{A}$。不过，即使是轨到轨放大器，当输出接近电源轨（0V和$V{A}$）时，也会出现线性度损失。因此，线性度是在小于DAC全输出范围的范围内指定的。

（四）串行接口

三线接口与SPI、QSPI和MICROWIRE以及大多数DSP兼容。写入序列从将$SYNC$线拉低开始，此时$D{IN}$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个下降时钟沿，最后一位数据被时钟输入，编程功能（操作模式的改变和/或DAC寄存器内容的改变）被执行。$SYNC$线可以保持低电平或拉高，但在下一次写入序列之前，必须拉高到指定的最小时间，因为$SYNC$的下降沿用于启动下一次写入周期。为了最小化功耗，$SYNC$和$D{IN}$缓冲器在写入序列之间应闲置为低电平。

（五）输入移位寄存器

输入移位寄存器有16位，前两位为“无关位”，后面两位决定操作模式（正常模式或三种掉电模式之一）。串行输入寄存器的内容在$SCLK$的第16个下降沿传输到DAC寄存器。通常情况下，$SYNC$线应保持低电平至少16个$SCLK$下降沿，DAC在第16个$SCLK$下降沿更新。如果$SYNC$在第16个下降沿之前被拉高，移位寄存器将被复位，写入序列无效，DAC寄存器不会更新，操作模式和输出电压也不会改变。

（六）上电复位

上电复位电路在上电期间控制输出电压，上电时DAC寄存器被填充为零，输出电压为0V，直到对DAC进行有效的写入序列。

（七）掉电模式

DAC081S101有四种操作模式，通过控制寄存器中的两位（DB13和DB12）设置。当DB13和DB12都为0时，设备正常运行；对于其他三种组合，电源电流降至掉电水平，输出通过1kΩ或100KΩ电阻下拉，或处于高阻抗状态。在任何掉电模式下，偏置发生器、输出放大器、电阻串和其他线性电路都会关闭，但DAC寄存器的内容不受影响，退出掉电模式后，输出电压将恢复到进入掉电模式之前的电压。在掉电模式下，禁用$SCLK$并将$SYNC$和$D{IN}$闲置为低电平可实现最小功耗，退出掉电时间（唤醒时间）通常为$t{wu}$微秒。

六、应用信息

（一）与微处理器和DSP接口

1. ADSP - 2101/ADSP2103接口

将DAC081S101与ADSP - 2101/ADSP2103连接时，DSP应设置为SPORT传输交替帧模式，通过SPORT控制寄存器进行编程，配置为内部时钟操作、低电平有效帧和16位字长。在SPORT模式启用后，通过向Tx寄存器写入一个字来启动传输。

2. 80C51/80L51接口

DAC081S101与80C51/80L51微控制器的串行接口中，$SYNC$信号来自微控制器的可编程引脚（如P3.3）。由于80C51/80L51传输8位字节，传输周期中只有8个下降时钟沿。要将数据加载到DAC，在传输前8位数据后，P3.3线必须保持低电平，然后发起第二个写入周期传输第二个字节数据，最后将P3.3线拉高。同时，80C51/80L51传输数据是LSB优先，而DAC081S101需要MSB优先，因此传输程序需要进行相应处理。

3. 68HC11接口

DAC081S101与68HC11微控制器连接时，DAC081S101的$SYNC$线由端口线（如PC7）驱动。68HC11应将CPOL位配置为0，CPHA位配置为1，使MOSI输出的数据在$SCLK$的下降沿有效。PC7拉低以向DAC传输数据，68HC11以8位字节传输数据，MSB优先。在传输前8位数据后，PC7必须保持低电平，发起第二个写入周期传输第二个字节数据，然后将PC7拉高结束写入序列。

4. Microwire接口

与Microwire兼容设备的接口中，数据在$SCLK$信号的上升沿时钟输出。

（二）使用参考源作为电源

由于DAC081S101使用电源电压作为参考电压，需要提供无噪声的电源。由于其功耗极低，可以使用参考源作为电源，相比电压调节器，参考源具有更高的精度和稳定性。以下是几种适合的电源选项：

1. LM4130

LM4130参考源在温度范围内具有0.05%的精度，是DAC081S101的良好电源选择。其缺点是没有3V和5V版本，但4.096V版本在需要0到4.095V输出范围的应用中很有用。通过在LM4130的$V{IN}$引脚旁路一个0.1µF电容，在$V{OUT}$引脚旁路一个2.2µF电容，可以提高稳定性并降低输出噪声。LM4130采用节省空间的5引脚SOT23封装。

2. LM4050

LM4050并联参考源的精度为0.44%，也是DAC081S101的不错电源调节器选择。它没有3V版本，但有4.096V和5V版本，采用节省空间的3引脚SOT - 23封装。在使用时，需要根据输入电压、LM4050的输出电压和电流要求选择合适的电阻值，以确保LM4050的电流不超过其额定值。

3. LP3985

LP3985是一款低噪声、超低压差电压调节器，在温度范围内精度为3%，适合不需要高精度参考的DAC081S101应用。它有3.0V、3.3V和5V等多种版本，在低频下具有低至30µV的噪声规格，对于一些对低频噪声敏感的应用很重要。LP3985采用节省空间的5引脚SOT - 23和5凸点DSBGA封装。在使用时，输入需要一个1.0µF的电容，输出需要一个1.0µF的陶瓷电容，且ESR要求为5mΩ到500mΩ。

4. LP2980

LP2980是一款超低压差调节器，根据等级不同，在温度范围内精度为0.5%或1.0%，有3.0V、3.3V和5V等多种版本。与其他低压差调节器一样，LP2980需要一个输出电容来保证环路稳定性，输出电容至少为1.0µF，2.2µF或更大的值会提供更好的性能，电容的ESR应在LP2980数据手册规定的范围内。表面贴装固体钽电容是一个不错的选择，陶瓷电容虽然尺寸小，但ESR值通常过低，不适合与LP2980一起使用，铝电解电容尺寸大，在低温下ESR值可能过高，也不是理想的选择。

（三）双极性操作

DAC081S101设计用于单电源操作，输出为单极性。但通过特定电路可以实现双极性输出，例如图45所示的电路可以提供±5V的输出电压范围。如果放大器电源限制在±5V，应使用轨到轨放大器。该电路的输出电压公式为$V{O}=(V{A} \times(D / 256) \times((R1 + R2) / R1) - V{A} × R2 / R1)$，当$V{A}=5V$且$R1 = R2$时，$V_{O}=(10 × D / 256) - 5V$。适合该应用的轨到轨放大器包括LMC7111、LM7301和LM8261等。

（四）布局、接地和旁路

为了获得最佳精度和最小噪声，包含DAC081S101的印刷电路板应具有独立的模拟和数字区域，由模拟和数字电源平面的位置定义，这两个平面应位于同一电路板层，并且最好使用单一接地平面。如果数字返回电流不流经模拟接地区域，单一接地平面是首选；如果需要，可以使用“围栏”技术防止模拟和数字接地电流混合；只有在“围栏”技术不足时才使用单独的接地平面，且两个接地平面必须在一处连接，最好靠近DAC081S101。同时，要特别注意确保快速边沿速率的数字信号不跨越分割的接地平面，它们必须始终有连续的返回路径。DAC081S101的电源应使用10µF和0.1µF的电容进行旁路，0.1µF电容应尽可能靠近设备的电源引脚，10µF电容应为钽电容，0.1µF电容应为低ESL、低ESR类型。DAC081S101的电源应仅用于模拟电路，避免模拟和数字信号交叉，时钟和数据线应位于电路板的元件侧，并具有可控的阻抗。

七、总结

DAC081S101以其低功耗、宽电源范围、高精度和灵活的接口等优点，在电池供电设备、信号处理、电源控制等领域具有广泛的应用前景。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择电源、接口方式和布局方案，以充分发挥DAC081S101的性能优势。同时，对于双极性操作和布局接地等细节问题，也需要给予足够的重视，确保系统的稳定性和可靠性。大家在使用DAC081S101的过程中，有没有遇到过一些独特的问题或者有什么创新的应用呢？欢迎在评论区分享交流。