深入解析MAX5175/MAX5177：低功耗12位串行DAC的卓越之选

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，我们将深入探讨MAXIM公司的两款低功耗、串行、12位DAC——MAX5175和MAX5177，它们以其独特的性能和丰富的功能，在众多应用场景中展现出卓越的优势。

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产品概述

MAX5175/MAX5177是具有力/感测电压输出的低功耗、串行、12位DAC，采用节省空间的16引脚QSOP封装，并集成了精密输出放大器。MAX5175采用单+5V电源供电，而MAX5177则使用单+3V电源。它们的输出放大器反相输入可用于特定增益配置、远程感测和高输出电流能力，非常适合工业过程控制等广泛应用。这两款器件的电源电流仅为260µA，在关断模式下可降至1µA，并且具有可编程上电复位功能，用户可选择输出电压状态为0或中间值。

产品特点

高精度与低功耗

• 高精度转换：具有±1 LSB的积分非线性（INL），保证了转换的高精度。
• 低功耗运行：关断电流仅1µA，正常工作时电源电流也极低，有效降低了系统功耗。
• 上电无干扰：上电时输出电压几乎“无毛刺”，将毛刺限制在几毫伏以内。

灵活的电源与输出配置

• 单电源供电：MAX5175采用+5V电源，MAX5177采用+3V电源，满足不同应用场景的电源需求。
• 全量程输出：MAX5177在 (V{REF}=+1.25V) 时，满量程输出范围为+2.048V；MAX5175在 (V{REF}=+2.5V) 时，满量程输出范围为+4.096V。
• 轨到轨输出放大器：输出放大器具有轨到轨特性，可提供灵活的输出电压范围。
• 可调输出偏移：允许用户根据需要调整输出偏移，增强了应用的灵活性。

高性能与兼容性

• 低总谐波失真：在乘法操作模式下，总谐波失真（THD）低至 -80dB，保证了输出信号的质量。
• 兼容串行接口：3线串行接口与SPI™、QSPI™和MICROWIRE™标准兼容，方便与微控制器等设备连接。
• 可编程功能：具有可编程关断模式和上电复位功能，以及用户可编程数字输出引脚，可实现对外部组件的串行控制。
• 负载驱动能力：缓冲输出能够驱动4 - 20mA或5kΩ || 100pF负载，满足不同负载的驱动需求。

可升级性

MAX5171/MAX5173是MAX5175/MAX5177的14位引脚兼容升级版，为用户提供了升级的选择。

技术参数

绝对最大额定值

• 电源电压：(V_{DD}) 至AGND、DGND的电压范围为 -0.3V至 +6V。
• 输入输出电压：各引脚的电压范围有明确限制，以确保器件的安全运行。
• 电流限制：任何引脚的最大电流为50mA。
• 功耗与温度范围：16引脚QSOP封装在 (T_A = +70^{circ}C) 时的连续功耗为667mW，工作温度范围为 -40°C至 +85°C，存储温度范围为 -65°C至 +150°C。

电气特性

MAX5175

• 静态性能：分辨率为12位，INL为±1 LSB（MAX5175A）或±2 LSB（MAX5175B），DNL为±1 LSB，偏移误差为±10mV等。
• 动态性能：电压输出压摆率为0.6V/µs，输出建立时间为12µs等。
• 电源特性：正电源电压为4.5 - 5.5V，电源电流为0.26 - 0.35mA，关断电流为1 - 10µA。

  MAX5177

• 静态性能：分辨率同样为12位，INL为±2 LSB（MAX5177A）或±4 LSB（MAX5177B），DNL为±1 LSB，偏移误差为±10mV等。
• 动态性能：电压输出压摆率为0.6V/µs，输出建立时间为12µs等。
• 电源特性：正电源电压为2.7 - 3.6V，电源电流为0.26 - 0.35mA，关断电流为1 - 10µA。

引脚描述

引脚	名称	功能
1	FB	反馈输入
2	OUT	电压输出，关断时为高阻抗，输出电压限制为 (V_{DD})
3	RS	复位模式选择（数字输入），连接 (V_{DD}) 选择中间值复位输出，连接DGND选择0复位输出
4	PDL	掉电锁定（数字输入），连接 (V_{DD}) 允许关断，连接DGND禁用关断
5	CLR	清除DAC（数字输入），将DAC清除为RS设置的预定输出状态
6	CS	片选输入（数字输入），CS为高时，DIN被忽略
7	DIN	串行数据输入（数字输入），数据在SCLK上升沿时钟输入
8	SCLK	串行时钟输入（数字输入）
9	DGND	数字地
10	DOUT	串行数据输出
11	UPO	用户可编程输出，状态由串行输入设置
12	SHDN	关断（数字输入），当PDL = (V_{DD}) 时，拉高SHDN使芯片进入关断状态，最大关断电流为10µA
13	AGND	模拟地
14	REF	参考输入，最大 (V{REF}) 为 (V{DD}) - 1.4V
15	N.C.	无连接
16	VDD	正电源，通过4.7µF电容与0.1µF电容并联旁路到AGND

工作原理

参考输入

参考输入可接受AC和DC值，电压范围为0至 (V{DD}) - 1.4V。输出电压由公式 (V{OUT}=frac{V{REF} cdot N cdot GAIN}{4096}) 计算，其中N为DAC二进制输入代码的数值，(V{REF}) 为参考电压，Gain为外部设置的电压增益。

输出放大器

DAC输出由精密放大器内部缓冲，典型压摆率为0.6V/µs。输出放大器在加载5kΩ并联100pF负载时，从满量程转换到±0.5LSB的建立时间为12µs，负载小于2kΩ会降低性能。

关断模式

具有软件和硬件可编程关断模式，可将典型电源电流降至1µA。进入关断模式可通过写入适当的输入控制字或使用硬件关断功能。关断模式下，参考输入和放大器输出变为高阻抗，串行接口保持活动，输入寄存器中的数据被保存。退出关断模式可通过从移位寄存器重新加载DAC寄存器、同时加载输入和DAC寄存器或切换PDL。退出关断后，需等待40µs使输出稳定。

串行接口

3线串行接口与SPI、QSPI和MICROWIRE接口标准兼容。16位串行输入字由两个控制位、12位数据（MSB到LSB）和两个子位组成。控制位决定器件的响应，数字输入为双缓冲，可实现加载输入寄存器而不更新DAC寄存器、从输入寄存器更新DAC寄存器或同时更新输入和DAC寄存器。

应用电路

单极性输出

通过特定电路配置，可实现单极性、轨到轨操作，增益为 +2V/V，输出电压限制为 (V_{DD})。

双极性输出

配置为双极性输出时，输出电压由公式 (V{OUT}=V{REF}(frac{2N}{4096}-1)) 计算，其中N为DAC二进制输入代码的数值，(V_{REF}) 为外部参考电压。

级联应用

串行数据输出引脚（DOUT）允许多个MAX5175/MAX5177级联，只需两条线即可控制所有DAC，但编程需要n个命令。也可让多个器件共享一个公共DIN信号线，此时数据总线对所有器件通用，但每个器件需要一个专用CS线，优点是只需一个命令即可编程任何DAC。

交流参考应用

MAX5175/MAX5177可接受包含AC分量的参考电压，只要参考电压保持在0至 (V_{DD}) - 1.4V之间。

数字可编程电流源

通过在运算放大器反馈回路中放置NPN晶体管，可实现数字可编程单向电流源，输出电流由公式 (I{OUT}=frac{V{REF} cdot N}{R cdot 4096}) 计算，其中N为DAC二进制输入代码的数值，R为感测电阻。

电源与布局考虑

为了获得最佳系统性能，建议使用具有独立模拟和数字接地平面的印刷电路板，并在低阻抗电源源处将两个接地平面连接在一起。将DAC的DGND和AGND引脚连接在一起，并连接到系统模拟接地平面。使用4.7µF电容与0.1µF电容并联旁路电源，尽量减小电容引线长度以降低电感。如果存在噪声问题，可使用屏蔽和/或铁氧体磁珠来增加隔离。同时，要确保DAC参考输入引脚的参考输出阻抗尽可能低，以维持INL和DNL性能以及增益漂移。

MAX5175/MAX5177以其高精度、低功耗、灵活的配置和丰富的功能，为电子工程师在各种应用中提供了一个优秀的选择。在实际设计中，我们需要根据具体需求合理选择器件，并注意电源和布局等方面的考虑，以充分发挥其性能优势。你在使用这类DAC时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。