深入解析DAC904：高性能14位数模转换器的卓越之选

 

在当今的电子设计领域，数模转换器（DAC）扮演着至关重要的角色，尤其是在需要高精度信号转换的应用场景中。今天，我们将深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的一款高性能14位、165MSPS数模转换器——DAC904。

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一、DAC904概述

DAC904采用小几何尺寸CMOS工艺制造，可在+2.7V至+5.5V的宽单电源范围内工作，低功耗特性使其非常适合便携式和电池供电系统。它属于高性能转换器家族，提供14位分辨率选项，且家族成员（如DAC908、DAC900和DAC902）引脚兼容，分别提供8位、10位和12位分辨率，为设计人员提供了丰富的选择。

二、关键特性与优势

（一）电气特性卓越

1. 高分辨率与高更新率：具备14位分辨率，输出更新率在不同电源电压下表现出色。在2.7V至3.3V时可达125 - 165MSPS，在4.5V至5.5V时可达165 - 200MSPS，能满足高速数据处理需求。
2. 低功耗设计：在+5V供电时功耗仅170mW，进入掉电模式后待机功耗低至45mW，有效降低系统能耗。
3. 高SFDR与低杂散：在20MHz输出、100MSPS时，无杂散动态范围（SFDR）可达64dBc，杂散脉冲低至3pV - s，确保输出信号的纯净度。
4. 灵活的参考与满量程调整：内置1.24V带隙参考，也可使用外部参考。通过一个外部电阻可将满量程输出电流在2 - 20mA范围内调整，同时保持指定的动态性能。

（二）应用领域广泛

1. 通信领域：适用于通信发射通道，如无线本地环路（WLL）、蜂窝基站、数字微波链路和电缆调制解调器等，为通信系统提供高质量的模拟信号输出。
2. 波形生成：可用于直接数字合成（DDS）和任意波形生成（ARB），满足各种复杂波形的生成需求。
3. 医疗与超声：在医疗设备和超声检测中，其高精度和低噪声特性有助于提高检测的准确性和可靠性。
4. 高速仪器与控制：为高速仪器和控制系统提供精确的模拟信号，确保系统的稳定运行。
5. 视频与数字电视：在视频处理和数字电视领域，可实现高质量的视频信号转换和处理。

三、工作原理与架构

（一）电流导向技术

DAC904采用电流导向技术实现快速切换和高更新率。其核心是一个分段电流源阵列，可提供高达20mA的满量程输出电流。每次DAC更新时，内部解码器对差分电流开关进行寻址，通过将所有电流导向输出求和节点（$I{OUT}$或$\overline{I{OUT}}$）形成相应的输出电流。

（二）分段架构优势

分段架构显著降低了杂散能量，提高了动态性能（SFDR）和差分非线性（DNL）。电流输出保持大于200kΩ的高输出阻抗，有助于减少信号失真。

（三）参考与输出关系

满量程输出电流由内部参考电压（1.24V）与外部电阻$R{SET}$的比值决定，内部将参考电流$I{REF}$乘以32得到有效的DAC输出电流。

四、引脚配置与功能

（一）数据引脚

引脚1 - 14为数据位引脚，从最高有效位（MSB）到最低有效位（LSB）依次排列，用于输入14位数字数据。

（二）控制引脚

1. PD引脚：掉电控制输入，高电平有效。内部有下拉电路，若不使用可悬空。
2. INT/EXT引脚：参考选择引脚，用于选择内部（= 0）或外部（= 1）参考操作。
3. REFIN引脚：参考输入/输出引脚，具体功能根据参考选择而定。
4. FSA引脚：满量程输出调整引脚，通过连接外部电阻调整满量程输出电流。

（三）电源与接地引脚

1. +VA引脚：模拟电源电压引脚，范围为2.7V至5.5V。
2. +VD引脚：数字电源电压引脚，范围为2.7V至5.5V。
3. AGND引脚：模拟接地引脚。
4. DGND引脚：数字接地引脚。

（四）时钟引脚

CLK引脚为时钟输入引脚，上升沿触发数据锁存，下降沿更新DAC输出。

五、输出配置与应用电路

（一）差分输出配置

1. 变压器配置：使用射频变压器将差分输出信号转换为单端信号，可显著降低共模信号，提高动态性能。通过选择合适的阻抗比，可实现最佳阻抗匹配和输出电压控制。
2. 运算放大器配置：采用差分放大器实现差分转单端转换和交流耦合。该配置适用于直流耦合输出需求，但可能引入额外的失真，需选择合适的放大器并进行参数调整。

（二）双跨阻输出配置

将信号输出电流连接到运算放大器的求和节点，形成跨阻放大器。该配置可保持DAC输出在虚地，实现最佳直流线性度，但在高频时可能出现增益峰值，需进行补偿。

（三）单端输出配置

通过连接单个负载电阻将输出电流转换为电压信号。负载电阻值应根据输出合规范围进行选择，以确保输出信号的线性度和稳定性。

六、参考操作模式

（一）内部参考操作

将INT/EXT引脚接地，启用内部参考。使用2kΩ电阻可实现20mA满量程输出，通过选择不同阻值的电阻可将输出电流调整至2 - 20mA。建议在REFIN引脚旁路0.1µF或更大的陶瓷电容，以提高参考稳定性。

（二）外部参考操作

将INT/EXT引脚置为高电平，禁用内部参考，可使用外部参考电压。外部参考输入具有高输入阻抗（1MΩ），但电压范围应在0.1V至1.25V之间。

七、数字输入与电源管理

（一）数字输入特性

数字输入采用标准正二进制编码，时钟上升沿触发数据锁存，下降沿更新输出。逻辑阈值取决于数字电源电压，DAC904支持2.7V至5.5V的电源范围。

（二）掉电模式

通过将PD引脚置为高电平可进入掉电模式，降低电源电流至小于9mA。未连接时，内部下拉电路使转换器正常工作。

八、布局与接地注意事项

在设计PCB时，应注意以下几点：

1. 接地与去耦：采用多层PCB板，将模拟和数字电源及接地引脚分开连接，使用0.1µF陶瓷电容进行去耦，确保低阻抗路径。
2. 布线规则：模拟信号走线应与数字线路分开，避免噪声耦合。模拟和数字接地平面应在DAC下方一点连接，电源应通过宽走线或平面提供，以降低阻抗。

九、总结

DAC904以其卓越的电气特性、灵活的配置选项和广泛的应用领域，成为电子工程师在数模转换设计中的理想选择。在实际应用中，设计人员应根据具体需求合理选择输出配置、参考模式和电源管理方式，并注意PCB布局和接地，以充分发挥DAC904的性能优势。你在使用DAC904或其他数模转换器时遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。