深入解析ISL5961：高性能14位高速D/A转换器

在电子工程师的日常工作中，选择合适的D/A转换器对于实现高性能的通信系统至关重要。今天，我们就来深入探讨一下RENESAS的ISL5961这款14位、高速、低功耗的D/A转换器。

文件下载：ISL5961/2IBZ.pdf

产品概述

ISL5961是一款专为高性能通信系统设计的14位CMOS D/A转换器，它具备130/210+MSPS的转换速度，能够满足多种应用场景的需求。该器件是ISL5x61高速转换器系列的一员，此系列还包括10位、12位和14位的设备。

订购信息

产品编号	温度范围 (°C)	封装	封装图纸编号	时钟速度
ISL5961IBZ（不再提供，推荐替代：ISL5961IAZ）	-40 至 85	28引脚SOIC（无铅）	M28.3	130MHz
ISL5961IAZ	-40 至 85	28引脚TSSOP（无铅）	M28.173	130MHz
ISL5961/2IBZ（不再提供，推荐替代：ISL5961/2IAZ）	-40 至 85	28引脚SOIC（无铅）	M28.3	210MHz
ISL5961/2IAZ	-40 至 85	28引脚TSSOP（无铅）	M28.173	210MHz
ISL5961EVAL1	25	SOIC评估平台		210MHz

需要注意的是，Intersil的无铅产品采用了特殊的无铅材料，其成型化合物、芯片附着材料和100%雾锡板终端表面处理，兼容SnPb和无铅焊接操作，并且在无铅峰值回流温度下的MSL分类符合或超过IPC/JEDEC J Std - 020B的无铅要求。

产品特性

高速与低功耗

ISL5961具有130M和210+MSPS的速度等级，在130MSPS、20mA输出的情况下，功耗仅为103mW，能够在保证高速转换的同时，有效降低系统功耗。

可调节输出电流

其满量程输出电流可在2mA至20mA之间进行调节，为不同的应用场景提供了灵活的配置选项。

电源与输入兼容性

采用+3.3V电源供电，输入与3V LVCMOS兼容，方便与其他数字电路集成。

出色的动态性能

• 无杂散动态范围（SFDR）表现优异，在 (f{S}=130MSPS) 、 (f{OUT}=10MHz) 时可达75dBc至奈奎斯特频率。
• 在UMTS应用中，19.2MHz时相邻信道功率比（ACPR）为71dB。
• 在EDGE/GSM应用中，20MHz窗口内11MHz处的SFDR为94dBc。

引脚兼容与低功耗替代

该器件引脚与AD9754和HI5960兼容，并且功耗更低，为工程师提供了更好的替代方案。

无铅可选

满足环保要求，符合现代电子产品的发展趋势。

应用领域

ISL5961的应用范围十分广泛，包括但不限于以下领域：

• 蜂窝基础设施：适用于单载波或多载波系统，如IS - 136、IS95、GSM、EDGE、CDMA2000、WCDMA、TDS - CDMA等。
• 宽带无线接入（BWA）基础设施：为高速无线通信提供支持。
• 医疗/测试仪器：满足高精度测量和信号生成的需求。
• 无线通信系统：提升通信质量和性能。
• 高分辨率成像系统：实现高质量的图像数据转换。
• 任意波形发生器：方便生成各种复杂的波形。

引脚说明

引脚编号	引脚名称	描述
1 - 14	D13 (MSB) 至 D0 (LSB)	数字数据位13（最高有效位）至数字数据位0（最低有效位）
15	SLEEP	掉电模式控制引脚，高电平有效；连接到地为正常模式，该引脚有20μA的内部有源下拉电流
16	REFLO	连接到模拟地以启用内部1.2V参考电压，或连接到AVDD以禁用内部参考电压
17	REFIO	若禁用内部参考电压，为参考电压输入；若启用内部参考电压，为参考电压输出。启用内部参考电压时，需使用0.1μF电容接地
18	FSADJ	满量程电流调节，使用电阻接地来调节满量程输出电流，满量程输出电流 = 32 x VFSADJ / RSET
19、25	NC	不连接，应接地，但也可留空
21	IOUTB	器件的互补电流输出，当所有输入位设置为二进制0时，达到满量程输出电流
22	IOUTA	器件的电流输出，当所有输入位设置为二进制1时，达到满量程输出电流
23	COMP	连接0.1μF电容到ACOM
24	AVDD	模拟电源（+2.7V至+3.6V）
20	ACOM	连接到模拟地
26	DCOM	连接到数字地
27	DVDD	数字电源（+2.7V至+3.6V）
28	CLK	时钟输入

电气特性

系统性能

• 分辨率：14位，能够提供较高的转换精度。
• 积分线性误差（INL）：在“最佳拟合”直线下，范围为 - 5至 + 5 LSB。
• 差分线性误差（DNL）：范围为 - 3至 + 3 LSB，保证了输出的单调性。
• 偏移误差（los）：IOUTA的偏移误差范围为 - 0.006%至 + 0.006% FSR。
• 满量程增益误差（FSE）：范围为 - 3%至 + 3% FSR。

动态特性

• 最大时钟速率：ISL5961/2IA、ISL5961/2IB为210MHz，ISL5961IA、ISL5961IB为130MHz。
• 输出上升时间和下降时间：满量程阶跃时均为1.5ns。
• 输出电容：为10pF。

交流特性

在不同的时钟频率和输出频率下，SFDR表现良好，例如在 (f{CLK}=210MSPS) 、 (f{OUT}=80.8MHz) 、30MHz跨度时，SFDR为73dBc。

设计要点

数字输入与终端匹配

ISL5961的数字输入保证为3V LVCMOS电平，内部寄存器在时钟上升沿更新。为了减少反射，对于较长的时钟和数字输入线，应在靠近转换器输入处连接50Ω终端电阻到数字接地平面。对于高速边缘速率的模式驱动器，建议在DAC输入前考虑使用50 - 200Ω的串联终端电阻以减少噪声。

电源设计

建议使用单独的数字和模拟电源，允许的电源范围为 + 2.7V至 + 3.6V，推荐范围为 + 3.0V至3.6V（标称 + 3.3V）以保持最佳的SFDR。在 + 2.7V供电时，SFDR会有一定程度的下降，此时可通过降低模拟输出电流来改善。

接地平面设计

应使用单独的数字和模拟接地平面，将器件的数字功能和相应组件置于数字接地平面上，模拟组件置于模拟接地平面上。

降噪措施

为了最小化电源噪声，应在转换器的电源引脚AVDD和DVDD附近尽可能靠近地放置0.1μF电容，并将这些电容分别连接到数字地和模拟地。同时，建议对电路板上的电源进行额外的滤波处理。

电压参考

器件的内部电压参考标称值为 + 1.23V，在整个温度范围内的漂移系数为 ± 40 ppm / °C。建议在REFIO引脚附近尽可能靠近地放置0.1μF电容并连接到模拟地。REFLO引脚用于选择参考电压，若连接到地则启用内部参考电压，若连接到模拟电源电压则使用外部参考电压。满量程输出电流与参考电压和 (R{SET}) 的值有关，计算公式为 (IOUT (Full Scale)=(V{FSADJ} / R_{SET}) × 32) 。

模拟输出

IOUTA和IOUTB是互补电流输出，两者之和始终等于满量程输出电流减去1 LSB。若需要单端输出，可使用负载电阻将输出电流转换为电压，未使用的输出应接地或进行同等终端匹配。输出电压必须在 - 1.0V至1.25V的输出电压合规范围内，ROUT应根据所需的输出电压和满量程输出电流进行选择。

差分输出

IOUTA和IOUTB可用于差分转单端配置以实现更好的谐波抑制。在 (R{DIFF}=50Ω) 和 (R{LOAD}=50Ω) 的情况下，若DAC的满量程输出电流设置为20mA，图13所示的电路将在变压器输出端提供500mV（ - 2.5dBm）的信号。典型性能曲线使用 (R{DIFF}=100Ω) 和 (R{LOAD}=50Ω) 以增加输出功率和动态范围。

传播延迟

转换器需要两个时钟上升沿才能在输出端显示数据，每个时钟上升沿捕获当前数据字并输出上一个数据，传播延迟为1/CLK加上小于2ns的处理时间。

总结

ISL5961以其高速、低功耗、出色的动态性能和灵活的配置选项，成为高性能通信系统中D/A转换的理想选择。在设计过程中，工程师需要充分考虑数字输入、电源、接地、电压参考、输出等方面的设计要点，以确保系统的性能和稳定性。你在使用类似D/A转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。