MAXIM DS4412：双通道 I²C 可调灌/拉电流 DAC 的深度解析

在电子设计领域，对于能够精确控制电流的 DAC 需求日益增长。MAXIM 的 DS4412 双通道 I²C 可调灌/拉电流 DAC 就是一款在这方面表现出色的产品。下面我们将深入了解这款 DAC 的各项特性、工作原理和应用场景。

文件下载：DS4412.pdf

一、产品概述

DS4412 包含两个 I²C 可调电流 DAC，每个都能进行灌电流或拉电流操作。每个输出端有 15 种灌电流和 15 种拉电流设置，可通过 I²C 接口进行编程。输出的满量程范围和步长由外部电阻决定，能在 4:1 的范围内调节输出电流。上电时，输出引脚 OUT0 和 OUT1 处于高阻抗状态。

二、产品特性

2.1 基本特性

• 双电流 DAC：具备两个独立的电流 DAC，可实现双通道的电流控制。
• 宽满量程电流范围：满量程电流为 500µA 到 2mA，能满足不同应用的需求。
• 外部电阻决定满量程范围：每个 DAC 的满量程范围由外部电阻确定，增加了设计的灵活性。
• 多种工作模式设置：灌电流和拉电流模式各有 15 种设置。
• I²C 兼容串行接口：方便与其他设备进行通信和控制。
• 低成本与小封装：采用 8 引脚 µSOP 封装，成本低且占用空间小。
• 宽温度范围：工作温度范围为 -40°C 到 +85°C，能适应不同的工作环境。
• 宽电源电压范围：可在 2.7V 到 5.5V 的电源电压下工作。

2.2 电气特性

• 绝对最大额定值：VCC、SDA 和 SCL 相对于地的电压范围为 -0.5V 到 +6.0V；OUT0 和 OUT1 相对于地的电压范围为 -0.5V 到 (VCC + 0.5V)（不超过 6.0V）；工作温度范围 -40°C 到 +85°C；存储温度范围 -55°C 到 +125°C。
• 推荐工作条件：电源电压 VCC 为 2.7V 到 5.5V；输入逻辑 1（SDA、SCL）的电压 VIH 为 0.7 x VCC 到 VCC + 0.3V；输入逻辑 0（SDA、SCL）的电压 VIL 为 -0.3V 到 0.3 x VCC。
• 直流电气特性：如电源电流 ICC 在 VCC = 5.5V 时为 500μA，输入泄漏电流 IIL 在 VCC = 5.5V 时为 1μA 等。
• 输出电流特性：输出灌电流时的输出电压 VOUT:SINK 为 0.5V 到 3.5V；输出拉电流时的输出电压 VOUT:SOURCE 为 0V 到 VCC - 0.75V；满量程灌输出电流 IOUT:SINK 为 0.5mA 到 2.0mA；满量程拉输出电流 IOUT:SOURCE 为 -2.0mA 到 -0.5mA 等。
• I²C 交流电气特性：SCL 时钟频率 fSCL 为 0 到 400kHz，总线空闲时间 tBUF 为 1.3µs 等。

三、引脚配置与功能

引脚名称	引脚编号	功能
SDA	1	I²C 串行数据，用于 I²C 数据的输入/输出
SCL	2	I²C 串行时钟，用于 I²C 时钟输入
FS1	3	满量程校准输入，连接到地的电阻决定每个输出的满量程电流，FS1 控制 OUT1
FS0	5	满量程校准输入，连接到地的电阻决定每个输出的满量程电流，FS0 控制 OUT0
GND	4	接地
OUT0	6	电流输出，根据寄存器设置和连接到 FS0 的电阻确定灌/拉电流
OUT1	7	电流输出，根据寄存器设置和连接到 FS1 的电阻确定灌/拉电流
VCC	8	电源供应

四、工作原理

4.1 输出电流范围确定

DS4412 的输出电流范围由外部电阻 RFS 决定，计算公式为 (RFS = (VRFS / IFS ) times(15 / 1.974))，其中 VRFS 是 RFS 电压。通过调整 RFS 的值，可以在 4:1 的范围内调节输出电流。

4.2 上电状态

上电时，DS4412 输出零电流，这可防止在系统主机控制器有机会修改设备设置之前，其灌/拉错误的电流。

4.3 内存组织

DS4412 的电流源通过向特定的内存地址写入数据来控制。内存地址与电流源的对应关系如下：	内存地址（十六进制）	电流源
0xF8	OUT0
0xF9	OUT1

每个输出控制寄存器的格式为：MSB LSB：S X X X D3 D2 D1 D0。其中，S 为符号位，决定 DAC 是灌电流（S = 0）还是拉电流（S = 1）；X 为保留位；D3 - D0 为 4 位数据字，控制 DAC 输出。当设置为 0000b 时，无论符号位状态如何，都输出零电流。

五、I²C 串行接口

5.1 从机地址

DS4412 的从机地址为 90h。

5.2 相关定义

• 主设备：控制总线上的从设备，生成 SCL 时钟脉冲和 START、STOP 条件。
• 从设备：根据主设备的请求发送和接收数据。
• 总线空闲：STOP 和 START 条件之间的时间，此时 SDA 和 SCL 处于高电平且不活动，常使从设备进入低功耗模式。
• START 条件：主设备发起新数据传输时，在 SCL 为高电平时，SDA 从高电平变为低电平产生 START 条件。
• STOP 条件：主设备结束数据传输时，在 SCL 为高电平时，SDA 从低电平变为高电平产生 STOP 条件。
• 重复 START 条件：主设备在一次数据传输结束时使用，用于立即发起下一次数据传输，常用于读操作中指定数据传输的起始内存地址。

5.3 数据传输

• 位写入：SDA 的转换必须在 SCL 为低电平时进行，SDA 上的数据在 SCL 的整个高脉冲期间以及设置和保持时间内必须保持有效和不变。数据在 SCL 的上升沿移入设备。
• 位读取：写操作结束后，主设备在进行位读取时，必须在 SCL 的下一个上升沿之前释放 SDA 总线一段适当的设置时间。设备在 SCL 前一个脉冲的下降沿将数据位移出 SDA，在当前 SCL 脉冲的上升沿数据位有效。
• 确认（ACK 和 NACK）：在字节传输中，第九位总是确认位。接收数据的设备（读操作时的主设备或写操作时的从设备）通过在第九位发送零来进行 ACK，发送一来进行 NACK。
• 字节写入：主设备向从设备传输 8 位信息（最高有效位在前），并接收从设备的 1 位确认。
• 字节读取：从设备向主设备传输 8 位信息（最高有效位在前），主设备发送 1 位 ACK 或 NACK。主设备在读取最后一个字节时必须发送 NACK 以终止通信。

六、应用场景

6.1 电源调整与裕度测试

在可调电源应用中，DS4412 可通过灌/拉电流到反馈电压节点，改变调节器达到稳态工作点所需的输出电压。例如，在一个 2.0V 电压供应且有 ±20% 裕度的可调电源中，通过合理选择外部电阻和设置输出电流，可使输出电压在 1.6V 到 2.4V 之间线性变化，分辨率为 25.8mV/步。

6.2 可调电流灌/拉源

作为偏置仪表或其他电路的电流源，DS4412 提供了一个简单且低成本的 I²C 接口控制的电流源，其可调的满量程范围可充分发挥 4 位灌/拉分辨率的优势。

七、使用注意事项

7.1 电源去耦

为获得最佳效果，使用 0.01µF 或 0.1µF 的电容对电源进行去耦。尽量使用高质量的陶瓷表面贴装电容，以减少引线电感，提高性能。

7.2 电阻选择

输入电阻 RFS 必须在 2.25kΩ 到 9.0kΩ 之间，以确保设备满足其精度和线性度规格。

MAXIM 的 DS4412 双通道 I²C 可调灌/拉电流 DAC 以其丰富的特性、灵活的控制方式和广泛的应用场景，为电子工程师在电流控制方面提供了一个优秀的解决方案。在实际设计中，工程师们可以根据具体需求合理选择和使用这款 DAC，以实现高效、精确的电流控制。大家在使用过程中有没有遇到过什么问题呢？欢迎在评论区分享交流。