DAC8801：高性能14位串行输入乘法数模转换器解析

 

在电子设计领域，数模转换器（DAC）是连接数字世界和模拟世界的关键桥梁。今天我们要深入探讨的是德州仪器（Texas Instruments）的Burr - Brown产品线中的一款优秀产品——DAC8801，一款14位串行输入乘法数模转换器。

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一、DAC8801的特性亮点

高精度与低噪声

DAC8801具备14位单调性，±1 LSB的积分非线性（INL）和±0.5 LSB的微分非线性（DNL），确保了高精度的转换。同时，其低噪声特性表现出色，仅为12 nV/√Hz，能有效减少信号干扰，为对噪声敏感的应用提供了可靠保障。

低功耗与宽电源范围

该转换器的功耗极低，正常工作电流$I_{DD}$仅为2 μA。而且支持+2.7 V至+5.5 V的模拟电源供电，这使得它在不同电源环境下都能稳定工作，适用于各种低功耗和电池供电的应用场景。

快速响应与高带宽

DAC8801的建立时间仅为0.5 μs，能够快速响应输入信号的变化。其参考带宽高达10 MHz，可处理高频信号，并且支持±10 V的参考输入，参考动态性能达到 - 105 THD，为系统提供了更宽的信号处理范围。

便捷的接口与小巧封装

采用3线50 - MHz串行接口，方便与微控制器连接，实现高速数据传输。同时，它提供了Tiny 8 - Lead 3 x 3 mm SON和3 x 5 mm MSOP两种小巧封装，节省了电路板空间，并且采用了行业标准引脚配置，便于设计和替换。

二、应用领域广泛

DAC8801的高性能特点使其在多个领域都有出色的应用表现：

• 自动测试设备（ATE）：在ATE系统中，需要高精度的模拟信号来测试各种电子器件。DAC8801的高精度和快速响应特性能够满足ATE对信号精度和测试速度的要求。
• 仪器仪表：在各类仪器仪表中，如示波器、万用表等，DAC8801可用于信号生成和校准，确保仪器的测量精度和稳定性。
• 数字控制校准：在需要精确校准的系统中，DAC8801可以根据数字信号生成精确的模拟校准信号，实现对系统的精确控制和校准。
• 工业控制PLC：在工业控制可编程逻辑控制器（PLC）中，DAC8801可用于生成模拟控制信号，实现对工业设备的精确控制。

三、技术细节剖析

工作原理

DAC8801采用R - 2R梯形结构，其中三个最高有效位（MSBs）进行了分段处理。每个2R支路可以切换到地（GND）或电流输出端（$I{OUT}$）。通过外部I/V转换器运算放大器，将DAC的输出端保持在虚拟地电位。外部参考输入$V{REF}$决定了DAC的满量程电流，R - 2R梯形网络对外部参考呈现5 kΩ ± 25%的与代码无关的负载阻抗。外部参考电压范围为 - 10 V至10 V，可实现双极性$I{OUT}$电流操作。当使用外部I/V转换器和DAC8801的$R{FB}$电阻时，DAC输出电压可由公式$V{OUT }=-V{REF } × \frac{CODE}{16384}$计算得出。

电气特性

在电气特性方面，DAC8801表现优异。其输出电流为2 mA，输出电容与代码相关，最大为50 pF。参考输入范围为 - 15 V至15 V，输入电阻为5 kΩ，输入电容为5 pF。逻辑输入和输出的参数也经过精心设计，如输入低电压$V{IL}$在$V{DD}=2.7V$时为0.6 V，$V{DD}=5V$时为0.8 V；输入高电压$V{IH}$在$V{DD}=2.7V$时为2.1 V，$V{DD}=5V$时为2.4 V。接口时序方面，时钟输入频率$f_{CLK}$可达50 MHz，确保了高速数据传输。

引脚功能

DAC8801的引脚功能明确，每个引脚都有其特定的作用：

• CLK：时钟输入，正边沿触发，将数据时钟输入到移位寄存器。
• SDI：串行寄存器输入，数据以MSB优先的方式直接加载到移位寄存器，多余的前导位将被忽略。
• RFB：内部匹配反馈电阻，连接到外部运算放大器的输出。
• VREF：DAC参考输入引脚，确定DAC的满量程电压，输入电阻与代码无关。
• IOUT：DAC电流输出，连接到外部精密I - V运算放大器的反相端。
• GND：模拟和数字地。
• VDD：正电源输入，工作电压范围为2.7 V至5.5 V。
• CS：芯片选择，低电平有效数字输入，在上升沿将移位寄存器数据传输到DAC寄存器。

四、典型应用电路设计

稳定性电路

在电流 - 电压转换设计中，为了确保电路的稳定性，应尽量缩短DAC8801电流输出（$I_{OUT}$）与外部运算放大器反相端的连接距离，并遵循正确的PCB布局设计。由于每次代码变化都会产生阶跃函数，如果运算放大器的增益带宽积（GBP）有限，且反相端的寄生电容过大，可能会导致增益峰值。因此，可在电路中添加一个补偿电容C1（典型值为4 pF至20 pF）来防止增益峰值。

正电压输出电路

若要生成正电压输出，可将负参考输入到DAC8801。这种设计比使用反相放大器来反转输出更优，因为可以避免电阻公差误差。对于负参考，可使用运算放大器将参考的$V_{OUT}$和GND电平转换为虚拟地和 - 2.5 V输入到DAC8801。

双极性输出电路

DAC8801作为2象限乘法DAC，可用于生成单极性输出。但在一些需要全4象限乘法功能或双极性输出摆幅的应用中，可添加外部运算放大器U4作为求和放大器，其增益为2X，将输出范围扩展到5 V。通过对参考电压施加2.5 V偏移来偏置U4，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 - 2.5 V至2.5 V的输出电压。

可编程电流源电路

DAC8801还可集成到电路中实现改进的Howland电流泵，用于精确的电压 - 电流转换。该电路具有双向电流流动和高电压合规性的特点，可应用于4 mA至20 mA的电流变送器，负载可达500 Ω。通过匹配电阻网络，可根据公式$I{L}=\frac{(R 2+R 3) / R 1}{R 3} × V{R E F} × D$计算负载电流。

五、选型与注意事项

选型参考

DAC8801提供了不同的封装和订购选项，如MSOP - 8和SON - 8封装，用户可根据实际应用需求选择合适的封装和温度范围。同时，文档中还提供了交叉参考信息，方便用户进行产品替换和升级。

ESD防护

由于该集成电路容易受到静电放电（ESD）的损坏，在处理和安装DAC8801时，必须采取适当的预防措施，如使用防静电设备和遵循正确的操作流程，以避免ESD对器件造成性能下降或完全失效。

电路补偿

在可编程电流源电路中，不建议消除电路补偿电容C1，因为输出阻抗$z_{0}$的变化可能会导致振荡问题。通过引入C1，可有效消除可能的振荡问题，对于大多数应用，建议使用几个pF的电容值。

DAC8801凭借其高精度、低噪声、低功耗和高带宽等优异特性，以及丰富的应用电路设计，为电子工程师在各种应用场景中提供了一个可靠的数模转换解决方案。在实际设计中，我们应充分发挥其优势，同时注意选型和电路设计的细节，以确保系统的性能和稳定性。你在使用DAC8801或其他数模转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。