德州仪器 TLV5630/31/32 DAC：多通道低功耗数模转换的理想之选

 

在电子工程师的日常设计工作中，数模转换器（DAC）是极为关键的器件，它在数字信号与模拟信号之间搭建起了桥梁，广泛应用于众多领域。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）推出的 TLV5630/31/32 系列 8 通道、12/10/8 位、2.7V 至 5.5V 低功耗数模转换器。

文件下载：tlv5632.pdf

一、核心特性

高密度集成与多样分辨率

这三款器件将 8 个电压输出 DAC 集成于一个封装之中，为设计者提供了高度集成的解决方案，能有效节省电路板空间。其中，TLV5630 具备 12 位分辨率，可实现高精度的数模转换；TLV5631 是 10 位分辨率，在精度和成本之间取得了良好的平衡；TLV5632 为 8 位分辨率，适用于对精度要求相对较低但对成本敏感的应用场景。这种多样化的分辨率选择，能满足不同应用的需求。

灵活的建立时间与功耗控制

该系列产品拥有可编程的建立时间与功耗控制功能。在快速模式下，建立时间仅需 1μs，能快速响应数字信号的变化；而在慢速模式下，建立时间为 3μs，此时功耗相对较低。例如，在 3V 电源电压下，慢速模式功耗为 18mW，快速模式功耗为 48mW。设计者可以根据实际应用对速度和功耗的要求，灵活调整工作模式。

广泛的兼容性

TLV5630/31/32 与 TMS320 和 SPI 串行端口兼容，这使得它们能够方便地与各种微控制器和数字信号处理器连接，实现无缝对接，为系统设计带来了极大的便利。

优异的温度特性

在不同的温度环境下，该系列 DAC 具有单调特性，能够保证输出信号的稳定性和准确性，减少因温度变化而导致的误差。

低功耗与节能设计

除了前面提到的不同模式下的低功耗表现外，还具备掉电模式。在不需要进行数模转换时，可将器件置于掉电模式，进一步降低功耗，延长电池使用寿命，这对于一些便携式设备和对功耗敏感的应用尤为重要。

内部参考与级联功能

内部集成了可编程带隙参考，为 DAC 提供稳定的参考电压，减少了外部参考电路的设计，提高了系统的稳定性。同时，数据输出可用于菊花链连接多个器件，方便实现多通道扩展，满足更复杂的应用需求。

二、应用场景

数字伺服控制环路

在数字伺服控制系统中，需要精确的模拟信号来驱动伺服电机。TLV5630/31/32 的高精度和快速建立时间，能够及时响应控制信号的变化，实现对电机的精确控制，提高系统的动态性能和稳定性。

数字偏移和增益调整

在信号处理电路中，常常需要对信号进行偏移和增益调整。该系列 DAC 可以根据数字控制信号，精确地调整输出信号的偏移和增益，确保信号处理的准确性和一致性。

工业过程控制

工业生产过程中，需要对各种物理量（如温度、压力、流量等）进行精确控制。TLV5630/31/32 可以将数字控制信号转换为模拟信号，驱动执行器（如阀门、电机等），实现对工业过程的精确调节。

机器和运动控制设备

在机器人、自动化生产线等机器和运动控制设备中，需要对多个运动轴进行精确控制。通过菊花链连接多个 TLV5630/31/32 器件，可以为每个运动轴提供独立的模拟控制信号，实现复杂的运动控制任务。

大容量存储设备

在大容量存储设备中，如硬盘驱动器、磁带驱动器等，需要精确的模拟信号来控制读写头的位置和速度。TLV5630/31/32 的高精度和稳定性，能够满足存储设备对信号精度和稳定性的要求，提高数据读写的准确性。

三、技术细节剖析

引脚与封装

TLV5630/31/32 采用 20 引脚的 SOIC 和 TSSOP 封装，引脚兼容，方便设计者进行替换和升级。不同的封装形式适用于不同的应用场景，如 SOIC 封装适用于一般的电路板设计，而 TSSOP 封装则更适合对空间要求较高的应用。

电气特性

电源特性

在电源电流方面，无负载且所有输入为 (DV{DD}) 或 GND、(V{ref}=2.048V) 时，快速模式下电源电流典型值为 16mA，最大值为 21mA；慢速模式下典型值为 6mA，最大值为 8mA。掉电模式下电源电流仅为 0.1μA，体现了其低功耗的优势。电源开启阈值为 2V，电源抑制比（PSRR）在满量程时为 -50dB，能够有效抑制电源噪声对输出信号的影响。

静态 DAC 特性

分辨率方面，TLV5630 为 12 位，TLV5631 为 10 位，TLV5632 为 8 位。积分非线性（INL）和微分非线性（DNL）指标反映了 DAC 的转换精度，不同型号在不同代码段的 INL 和 DNL 指标有所差异，但都能满足大多数应用的要求。零刻度误差（Ezs）最大值为 30mV，零刻度误差温度系数（Ezs TC）为 30μV/℃，增益误差（EG）最大值为 0.6% 满量程电压，增益误差温度系数（EGTC）为 10ppm/℃，这些指标保证了 DAC 在不同温度和输入条件下的输出精度。

输出特性

电压输出范围为 0 至 (AV{DD}-0.4V)，输出负载调节精度在 (R{L}=2kΩ) 与 (R_{L}=10kΩ) 时为 ±0.3% 满量程电压，能够在不同负载条件下保持输出电压的稳定性。

参考输出与输入特性

参考输出电压分为低参考电压（(V{REFOUTL})）和高参考电压（(V{REFOUTH})），在不同电源电压下有相应的取值范围。输出源电流和吸收电流分别为 1mA 和 -1mA，负载电容为 1 至 10μF，参考输入电压范围为 0 至 (AV_{DD})，输入电阻为 50kΩ，输入电容为 10pF，参考输入带宽在不同模式下有所不同，参考馈通在特定条件下为 84dB，这些特性保证了参考信号的稳定性和准确性。

数字输入与输出特性

数字输入和输出具有明确的电压和电流要求，如高电平数字输入电流在 (V = DV{DD}) 时为 1μA，低电平数字输入电流在 (V{i}=0V) 时为 1μA，输入电容为 8pF。数字输出高电平电压在 (R{L}=10kΩ) 时为 2.6V，低电平电压为 0.4V，输出电压上升时间在 (R{L}=10kΩ)、(C_{L}=20pF) 时为 5 至 10ns，保证了数字信号的可靠传输。

模拟输出动态性能

输出建立时间分为满量程建立时间（(t{s(FS)})）和代码到代码建立时间（(t{s(CC)})），在快速模式和慢速模式下有不同的取值。压摆率（SR）在不同模式下也有所不同，快速模式为 4 至 10V/μs，慢速模式为 1 至 3V/μs，能够满足不同应用对信号变化速度的要求。毛刺能量为 4nV - s，通道串扰在 10kHz 正弦波、4VPP 时为 90dB，保证了模拟输出信号的质量。

数字输入时序要求

数字输入时序对 DAC 的正常工作至关重要。例如，FS 低电平在下次负 SCLK 边沿之前的建立时间（(t{su(FS - CK)})）为 8ns，第 16 个负边沿在 FS 低电平后对 D0 采样到 FS 上升沿的建立时间（(t{su(C16 - FS)})）在 μC 模式下为 10ns 等。设计者需要严格按照这些时序要求进行电路设计，以确保数据的正确传输和转换。

四、工作原理与操作模式

通用功能

TLV5630/31/32 基于电阻串架构，由串行接口、速度和掉电控制逻辑、内部参考、电阻串和轨到轨输出缓冲器组成。每个通道的输出电压由参考电压（REF）和数字输入值（CODE）决定，计算公式为 (2REF\frac{CODE}{0×1000}[V])。不同型号的数字输入范围有所不同，TLV5630 为 0x000 至 0xFFF，TLV5631 为 0x000 至 0xFFC，TLV5632 为 0x000 至 0xFF0。

上电复位（POR）

内置的上电复位电路在电源上电后控制输出电压。上电时，所有锁存器（包括预设寄存器）都被置为零，但只有当 LDAC 为低电平时，DAC 输出才会置为零。DAC 输出可能会有一个由输出缓冲器产生的小偏移误差，寄存器将保持为零，直到对 DAC 进行有效的写操作，改变 DAC 寄存器数据。在使用不同的模拟（(AV{DD})）和数字（(DV{DD})）电源时，(AV{DD}) 必须先于 (DV{DD}) 上电，以确保上电复位电路正常工作。

串行接口

FS 的下降沿启动数据传输，DIN 上的数据从最高有效位（MSB）开始在 SCLK 的下降沿移入内部寄存器。传输 16 位数据后，移位寄存器的内容根据数据字中的地址位移动到相应的 DAC 保持寄存器。LDAC 引脚为低电平时，将 DAC 保持寄存器的内容传输到 DAC 锁存器并更新 DAC 输出。LDAC 是异步输入，如果不需要同时更新所有 8 个通道，可以将其保持为低电平。

DSP 模式与 μC 模式

DSP 模式和 μC 模式在数据传输和控制上有所不同。在 μC 模式下，FS 需要保持低电平直到所有 16 位数据传输完毕，如果在第 16 个下降时钟沿之前将 FS 拉高，数据传输将被取消，DAC 在 FS 上升沿后更新。在 DSP 模式下，FS 需要保持低电平 20ns，并且可以在第 16 个下降时钟沿之前拉高，同时在 FS 变低以启动写（DIN）周期之前需要一个下降 SCLK 边沿，且该边沿至少要在 FS 变低之前 5ns 发生。

串行时钟频率与更新速率

最大串行时钟频率为 30MHz，计算公式为 (f{sclkmax}=\frac{1}{t{whmin}+t{wlmin}})；最大更新速率为 1.95MHz，计算公式为 (f{updatemax}=\frac{1}{16(t{whmin}+t{wlmin})})。但需要注意的是，最大更新速率只是串行接口的理论值，实际应用中还需要考虑 DAC 的建立时间。

数据格式

16 位数据字由地址位（D15…D12）和数据位（D11…D0）组成。地址位用于选择不同的功能寄存器或 DAC 通道，寄存器映射详细定义了不同地址位组合对应的功能，如 DAC A - H 的选择、控制寄存器（CTRL0、CTRL1）的操作、预设寄存器的设置等。

预设功能

通过将 PRE 输入引脚拉低并使能 LDAC 输入引脚，可以将 DAC 通道的输出同时驱动到预设寄存器中存储的预定义值。上电后，预设寄存器由 POR 电路清零，因此在将 PRE 引脚拉低之前，需要向预设寄存器写入预定义值，除非期望的预设值为零。

控制寄存器操作

CTRL0 寄存器

控制设备的多种功能，如全设备掉电（PD）、DOUT 使能（DO）、参考选择（R1、R0）和输入模式（IM）。通过对这些位的设置，可以灵活配置 DAC 的工作模式和性能。

CTRL1 寄存器

用于控制不同 DAC 对的掉电和速度。可以通过设置 (P{XY}) 位将特定的 DAC 对置于掉电模式，通过设置 (S{XY}) 位选择 DAC 对的快速或慢速模式，从而实现对功耗和速度的精细控制。

参考设置

DAC 参考可以通过编程 CTRL0 寄存器的 D2（R1）和 D1（R0）位来选择内部或外部参考源。如果使用外部参考源，需要将 R1 和 R0 设置为 00 或 01；如果选择内部参考，可根据设置得到 1.024V 或 2.048V 的参考电压，内部参考源可提供高达 1mA 的电流，可作为外部系统参考。选择内部参考时，需要在 REF 引脚连接去耦电容，以确保输出稳定性。

缓冲放大器

DAC 输出由增益为 2 的放大器缓冲，可配置为 A 类（快速模式）或 AB 类（慢速或低功耗模式）。输出缓冲器具有接近轨到轨的输出和短路保护功能，能够可靠地驱动 2kΩ 负载和 100pF 负载电容，保证了输出信号的质量和稳定性。

五、封装与订购信息

该系列器件提供了多种可订购的型号，包括不同的封装形式（SOIC 和 TSSOP）和包装数量（如管装、托盘装等）。不同型号在 RoHS 合规性、引脚镀层、湿度敏感性等级（MSL）和工作温度范围等方面具有一致性，工作温度范围均为 -40℃ 至 85℃，适用于大多数工业和商业应用环境。同时，文档还提供了详细的封装材料信息，包括磁带和卷轴尺寸、管装尺寸、封装外形图、示例电路板布局和示例模板设计等，为设计者提供了全面的设计参考。

六、总结与展望

德州仪器的 TLV5630/31/32 系列数模转换器以其丰富的特性、广泛的应用场景和详细的技术文档，为电子工程师提供了一个强大而可靠的设计选择。在实际应用中，设计者可以根据具体需求选择合适的分辨率、工作模式和封装形式，同时充分利用其内部参考、级联功能和低功耗特性，实现高效、精确的数模转换。随着电子技术的不断发展，对 DAC 的性能要求也在不断提高，我们期待德州仪器在未来能够推出更多性能更优、功能更强大的数模转换产品，为电子设计领域带来更多的创新和突破。

在使用 TLV5630/31/32 进行设计时，你是否遇到过一些特殊的挑战？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。