低功耗四通道8位DAC——DAC5573的深度解析

 

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。今天要给大家详细介绍一款性能出色的DAC——德州仪器（TI）的DAC5573，它在低功耗、多通道和高速数据处理等方面表现卓越，适用于多种应用场景。

文件下载：dac5573.pdf

一、DAC5573概述

DAC5573是一款低功耗、四通道、8位缓冲电压输出的DAC。它采用了I²C兼容的两线串行接口，支持高速接口模式，地址支持多达16个DAC5573，总共有64个通道。其工作温度范围为 -40°C至105°C，采用小型16引脚TSSOP封装，非常适合空间受限的应用。

（一）主要特性

1. 低功耗：在3V电源电压下，工作电流仅为500µA，在掉电模式下，电流可降至200nA（5V时），功耗极低，适合便携式电池供电设备。
2. 高速更新率：高达188kSPS的更新率，能够快速响应数字输入的变化，满足高速数据处理的需求。
3. 上电复位至零：内置上电复位电路，确保DAC输出在上电时为零伏，直到设备进行有效写入操作，提高了系统的可靠性。
4. 宽电源电压范围：模拟电源电压范围为2.7V至5.5V，具有良好的电源适应性。
5. 8位单调性：保证了输出电压与数字输入之间的单调关系，提高了转换的准确性。
6. I²C接口：支持高达3.4Mbps的I²C总线通信速度，数据传输能力强。
7. 轨到轨输出缓冲放大器：能够提供轨到轨的输出电压范围，增强了输出信号的驱动能力。
8. 双缓冲输入寄存器：可以实现数据的快速更新和同步，提高了系统的响应速度。
9. 多设备地址支持：支持多达16个DAC5573设备的地址配置，方便构建多通道系统。
10. 同步更新功能：支持多达64个通道的同步更新，确保各通道输出的一致性。

（二）应用领域

DAC5573的特性使其在多个领域得到广泛应用，包括过程控制、数据采集系统、闭环伺服控制、PC外设和便携式仪器等。

二、技术细节分析

（一）引脚描述

引脚	名称	描述
1	VoUTA	DAC A的模拟输出电压
2	VoUTB	DAC B的模拟输出电压
3	VREFH	正参考电压输入
4	VDD	模拟电压电源输入
5	VREFL	负参考电压输入
6	GND	器件上所有电路的接地参考点
7	VouTC	DAC C的模拟输出电压
8	VouTD	DAC D的模拟输出电压
9	LDAC	硬件同步Vou更新
10	SCL	串行时钟输入
11	SDA	串行数据输入
12	IOVDD	I/O电压电源输入
13	A0	设备地址选择 - I²C
14	A1	设备地址选择 - I²C
15	A2	设备地址选择 - 扩展
16	A3	设备地址选择 - 扩展

（二）绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于正确使用和保护器件至关重要。DAC5573的绝对最大额定值如下：	参数	范围
Vop to GND	-0.3V至 +6V
数字输入电压 to GND	-0.3V至VDD + 0.3V
VouT to GND	-0.3V至Vpp + 0.3V
工作温度范围	-40°C至 +105°C
存储温度范围	-65°C至 +150°C
结温范围（TJ max）	+150°C
功耗：热阻（RoJA）	161°C/W
热阻（Ruc）	29°C/W
引脚焊接温度：气相（60s）	215°C
红外（15s）	220°C

（三）电气特性

DAC5573的电气特性包括静态性能、参考输入、逻辑输入和电源要求等方面。以下是一些关键参数：

1. 静态性能
   • 分辨率：8位
   • 相对精度：±0.25至±0.5 LSB
   • 差分非线性：±0.1至±0.25 LSB
   • 零刻度误差：5至20mV
   • 满刻度误差：-0.15至±1.0% of FSR
   • 增益误差：±1.0% of FSR
   • 零码误差漂移：±7µV/°C
   • 增益温度系数：±3ppm of FSR/°C
   • 输出电压范围：0至VREFH V
   • 输出电压建立时间（满量程）：RL = ∞，0pF < CL < 200pF时，为6至8µs；RL = ∞，CL = 500pF时，为12µs
   • 压摆率：1V/µs
   • 直流串扰（通道间）：0.0025 LSB
   • 交流串扰（通道间）：1kHz正弦波时，为 -100dB
2. 参考输入
   • VREFH输入范围：0至VDD V
   • VRFL输入范围：VREFL ≤ VREFH，0至GND，Vop/2 V
   • 参考输入阻抗：25kΩ
   • 参考电流：VREF = Voo = +5V时，为185至260µA；VREF = Voo = +3V时，为122至200µA
3. 逻辑输入
   • 输入电流：±1µA
   • VN输入低电压：0.3×IOVDD V
   • VIN H输入高电压：0.7×IOVDD V
   • 引脚电容：3pF
4. 电源要求
   • Voo，IOVDD：2.7至5.5V
   • IDD（正常工作），包括参考电流：Voo = +3.6V至 +5.5V，VIH = IOVo和ViL = GND时，为600至900µA；Voo = +2.7V至 +3.6V，VH = OVo和ViL = GND时，为500至750µA

（四）时序特性

DAC5573支持标准模式（100kHz）、快速模式（400kHz）和高速模式（3.4MHz）的I²C通信。不同模式下的时序参数有所不同，例如：	符号	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
fSCL	SCL时钟频率	高速模式，CB = 100pF max			3.4	MHz
		高速模式，CB = 400pF max			1.7	MHz
tBUF	总线空闲时间（STOP和START条件之间）	标准模式	4.7			µs
		快速模式	1.3			µs

（五）典型特性

文档中给出了DAC5573的多个典型特性曲线，包括线性误差与微分线性误差与数字输入代码的关系、零刻度误差与温度的关系、满刻度误差与温度的关系等。这些曲线可以帮助工程师更好地了解器件在不同条件下的性能表现，为设计提供参考。

三、工作原理

（一）D/A部分

DAC5573的架构由一个电阻串DAC和一个输出缓冲放大器组成。电阻串DAC通过将输入的数字代码转换为对应的电压，然后经过输出缓冲放大器进行放大和缓冲，最终输出模拟电压。其理想输出电压公式为：$V{OUT }=2 V{REF } L+\left(V{REF } H-V{REF } L\right) × \frac{D}{256}$，其中D为加载到DAC寄存器的二进制代码的十进制等效值，范围为0至255。

（二）电阻串

电阻串部分由一个二分电阻和一串阻值为R的电阻组成。加载到DAC寄存器的代码决定了在电阻串的哪个节点上提取电压，并通过闭合连接电阻串和放大器的开关之一将其输入到输出放大器。由于采用了电阻串架构，DAC5573具有单调性。

（三）输出放大器

输出缓冲放大器是一个增益为2的同相放大器，能够在其输出端产生轨到轨的电压，输出范围为0V至VDD。它能够驱动2kΩ与1000pF并联到地的负载，输出放大器的源和灌电流能力可以从典型曲线中查看。在输出空载时，压摆率为1V/µs，半量程建立时间为8µs。

（四）I²C接口

I²C是飞利浦半导体开发的两线串行接口，由数据线（SDA）和时钟线（SCL）组成，具有上拉结构。当总线空闲时，SDA和SCL线都被拉高。所有I²C兼容设备通过开漏I/O引脚SDA和SCL连接到I²C总线。主设备（通常是微控制器或数字信号处理器）控制总线，负责生成SCL信号和设备地址，并产生指示数据传输开始和停止的特定条件。从设备在主设备的控制下在总线上接收和/或传输数据。

DAC5573作为从设备，支持标准模式（100kbps）、快速模式（400kbps）和高速模式（3.4Mbps）的数据传输。不同模式下的传输协议有所不同，具体如下：

1. F/S - 模式协议
   • 主设备通过产生一个起始条件来启动数据传输。起始条件是指当SCL为高电平时，SDA线从高电平到低电平的转换。
   • 主设备产生SCL脉冲，并在SDA线上传输7位地址和读写方向位R/W。在所有传输过程中，主设备确保数据有效，即SDA线在时钟脉冲的整个高电平期间保持稳定。
   • 所有设备识别主设备发送的地址，并将其与内部固定地址进行比较。只有地址匹配的从设备会在第9个SCL周期的整个高电平期间将SDA线拉低，产生一个确认信号。
   • 主设备产生更多的SCL周期，以向从设备传输数据（R/W位为1）或从从设备接收数据（R/W位为0）。在任何情况下，接收方必须对发送方发送的数据进行确认。
   • 主设备通过在SCL线为高电平时将SDA线从低电平拉高来产生一个停止条件，以结束数据传输。
2. H/S - 模式协议
   • 当总线空闲时，SDA和SCL线被上拉设备拉高。
   • 主设备产生一个起始条件，然后发送一个包含H/S主代码00001XXX的有效串行字节。此传输以不超过400Kbps的F/S模式进行，没有设备允许对H/S主代码进行确认，但所有设备必须识别它并切换其内部设置以支持3.4Mbps的操作。
   • 主设备产生一个重复起始条件，之后的协议与F/S - 模式相同，只是允许传输速度提高到3.4Mbps。一个停止条件结束H/S - 模式，并将从设备的所有内部设置切换回支持F/S - 模式。

四、I²C更新序列和寄存器操作

（一）I²C更新序列

DAC5573的单次更新需要一个起始条件、一个有效的I²C地址、一个控制字节、一个MSB字节和一个LSB字节。在接收到每个字节后，DAC5573通过在单个时钟脉冲的高电平期间将SDA线拉低来进行确认。有效的I²C地址选择DAC5573，控制字节设置所选DAC5573的操作模式。一旦操作模式由控制字节选定，DAC5573期望一个MSB字节后跟一个LSB字节来进行数据更新。DAC5573在LSB字节之后的确认信号的下降沿进行更新。

（二）地址字节

地址字节是主设备发送的起始条件之后的第一个字节。地址的前五位（MSB）是工厂预设的10011，接下来的两位是设备选择位A1和A0。A1和A0地址输入可以连接到VDD或数字地，也可以由TTL/CMOS逻辑电平主动驱动。设备地址在DAC5573的上电序列期间由这些引脚的状态设置。最多可以将16个DAC5573设备连接到同一I²C总线。

（三）广播地址字节

DAC5573支持广播寻址，广播地址字节为10010000。广播寻址可用于同步更新或掉电多个DAC5573设备，它可以与DAC857x和DAC757x系列的其他成员一起使用，以支持多通道同步更新。使用广播地址时，DAC5573无论地址引脚的状态如何都会响应，广播仅在写模式（主设备向DAC5573写入数据）下支持。

（四）控制字节

控制字节用于设置DAC5573的操作模式和选择通道。控制字节的各位含义如下：	位名称	位编号/描述
A3	扩展地址位，这些位的状态必须与引脚A3和A2的状态匹配，才能进行正确的DAC5573数据更新，广播更新模式除外。
A2	扩展地址位
L1	加载1（模式选择）位，用于选择更新模式。
L0	加载0（模式选择）位
Sel1	缓冲选择1位，通道选择位
Sel0	缓冲选择0位
PD0	掉电标志

（五）寄存器操作

DAC5573包含多个寄存器，用于存储控制字节、数据和掉电信息。主要寄存器如下：	寄存器	描述
CTRL[7:0]	存储主设备发送的8位宽控制字节
MSB[7:0]	存储主设备发送的无符号二进制数据的8个最高有效位，也可以存储2位掉电数据。
TRA[9:0], TRB[9:0], TRC[9:0], TRD[9:0]	分配给每个通道的10位临时存储寄存器，两个MSB存储掉电信息，8个LSB存储数据。
DRA[9:0], DRB[9:0], DRC[9:0], DRD[9:0]	每个通道的10位DAC寄存器，两个MSB存储掉电信息，8个LSB存储DAC数据。更新此寄存器意味着用数据或掉电信息更新DAC。

五、应用信息

（一）基本连接

对于许多应用，连接DAC5573非常简单。基本连接图中，需要使用0.1µF的旁路电容来提供电源所需的瞬间额外电流。DAC5573可以直接与标准模式、快速模式和高速模式的I²C控制器接口。由于I²C总线驱动器是开漏的，因此SDA和SCL线上需要上拉电阻。上拉电阻的大小取决于总线的工作速度和总线线路上的电容。

（二）使用GPIO端口模拟I²C

如果没有可用的I²C控制器，可以将DAC5573连接到GPIO引脚，并通过软件模拟I²C总线协议。在这种情况下，可以通过设置GPIO线为零并在输入和输出模式之间切换来应用适当的总线状态。需要注意的是，如果总线上有任何可能将时钟线拉低的设备，则不能使用这种方法，SCL线必须为高阻态或零，并且需要像往常一样提供上拉电阻。

（三）使用REF02作为电源

由于DAC5573所需的电源电流极低，可以使用REF02 +5V精密电压基准为DAC5573的电源输入和参考输入提供所需的电压。当DAC输出加载时，REF02还需要为负载提供电流。REF02的负载调整率通常为0.005%/mA，对于1.6mA的电流，会产生400µV的误差，对应于0V至5V输出范围的0.02 LSB误差。

（四）布局注意事项

作为