双路电流输出16/14位DAC AD5545/AD5555：技术剖析与应用指南

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，我们要深入探讨的是Analog Devices公司的AD5545/AD5555，这是两款高性能的双路电流输出、串行输入16/14位DAC，它们在众多应用场景中都展现出了卓越的性能。

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一、产品概述

AD5545和AD5555分别具有16位和14位的分辨率，工作在4.5V至5.5V的电源范围内。它们需要一个外部参考来确定满量程输出电流，内部反馈电阻（ (R_{FB}) ）与外部运算放大器结合，可增强电阻和温度跟踪性能，完成电流到电压的转换。其串行数据接口采用3线制，与微控制器兼容，还具备额外的LDAC功能，可实现双通道的同时更新。此外，内部复位逻辑允许在电源开启时预设或动态复位到零或中值，具体取决于MSB引脚的状态。

二、产品特性

高精度性能

• 分辨率：AD5545为16位分辨率，AD5555为14位分辨率。当 (V_{REF}=10V) 时，AD5545的1 LSB对应153µV，AD5555的1 LSB对应610µV。
• 线性度：具有±1 LSB的DNL单调性和±1 LSB的INL，确保了输出的高精度和线性度。
• 满量程电流：在 (V_{REF}=10V) 时，满量程电流为2mA ±20%。

高速响应

• 建立时间：仅需0.5µs的建立时间，能够快速响应输入信号的变化。
• 参考输入带宽：2Q乘法参考输入具有6.9MHz的带宽，可处理高频信号。

灵活的功能

• 上电预设和动态复位：支持零或中值的上电预设和动态复位，方便系统初始化和故障恢复。
• 3线接口：简单的3线接口设计，便于与微控制器连接，降低了系统设计的复杂度。
• 紧凑封装：采用16引脚的TSSOP封装，节省了电路板空间。

三、电气特性

静态性能

• 分辨率：AD5545为16位，AD5555为14位。
• 相对精度：AD5545B的INL为±2 LSB，AD5555C和AD5545C的INL为±1 LSB。
• 差分非线性：DNL单调，误差为±1 LSB。
• 输出泄漏电流：在数据为0x0000时，25°C下为10nA，最大温度下为20nA。
• 满量程增益误差：数据为满量程时，误差为±1至±4mV。
• 满量程温度系数：为1ppm/°C。

参考输入

• 参考电压范围：为 -12V至+12V。
• 输入电阻：为5kΩ。
• 输入电容：为5pF。

模拟输出

• 输出电流：数据为满量程时，输出电流为2mA。
• 输出电容：与代码相关，最大为200pF。

逻辑输入和输出

• 逻辑输入低电压：为0.8V。
• 逻辑输入高电压：为2.4V。
• 输入泄漏电流：为10µA。
• 输入电容：为10pF。

接口时序

• 时钟输入频率：最大为50MHz。
• 时钟宽度高：为50ns。
• 时钟宽度低：为10ns。
• CS到时钟建立时间：为0ns。
• 时钟到CS保持时间：为10ns。
• 数据建立时间：为5ns。
• 数据保持时间：为10ns。
• LDAC建立时间：为5ns。
• LDAC保持时间：为10ns。
• LDAC宽度：为10ns。

电源特性

• 电源范围：为4.5V至5.5V。
• 正电源电流：逻辑输入为0V时，为10µA。
• 功耗：逻辑输入为0V时，为0.055mW。
• 电源灵敏度：(Delta V_{DD}=±5%) 时，为0.006%/%。

交流特性

• 输出电压建立时间：达到±0.1%满量程，数据从零量程到满量程再到零量程的建立时间为0.5µs。
• 参考乘法带宽：为6.9MHz。
• 馈通误差：数据为零量程， (V_{REF}=100mV rms) ，f = 1kHz时，为 -81dB。
• 数字馈通：CS为逻辑高且 (f_{CLK}=1MHz) 时，为7nV - s。
• 总谐波失真： (V_{REF}=5V p - p) ，数据为满量程，f = 1kHz至10kHz时，为 -104dB。
• 模拟串扰： (V{REFB}=0V) ，测量 (V{OUTB}) ， (V_{REFA}=5V p - p) 正弦波，数据为满量程，f = 1kHz至10kHz时，为 -95dB。
• 输出点噪声电压：f = 1kHz，BW = 1Hz时，为12nV/√Hz。

四、工作原理

数模转换

AD5545/AD5555采用电流舵型R - 2R梯形设计，DAC内部包含一个匹配的反馈电阻，用于与外部I - V转换器放大器配合使用。 (R{FB}) 引脚连接到外部放大器的输出， (I{OUT}) 端子连接到外部放大器的反相输入。DAC可使用负或正参考电压， (V{DD}) 电源引脚仅用于驱动DAC开关。DAC的输出电压由 (V{REF}) 输入电压和加载到相应DAC寄存器的数字数据（D）决定，计算公式如下：

• AD5545： (V{OUT}=-V{REF} × D / 65,536)
• AD5555： (V{OUT}=-V{REF} × D / 16,384)

串行数据接口

AD5545/AD5555使用最少3线（ (overline{CS}) 、SDI、CLK）的串行数据接口进行单通道更新操作。以AD5545为例，用户可以将 (LDAC) 置低， (overline{RS}) 置高，然后将 (overline{CS}) 置低18位时长，新的串行数据以18位数据字格式在CLK的上升沿时钟输入到串行输入寄存器，MSB位首先加载。当 (overline{CS}) 引脚变为高电平时，只有最后18位数据被传输到DAC寄存器并更新输出。如果微控制器输出的串行数据长度与AD5545不同，如8位字节，可以将三个右对齐的数据字节写入AD5545，AD5545会忽略前六位MSB，将后18位LSB识别为有效数据。若要分别编程每个通道并同时更新，可先将 (LDAC) 和 (overline{RS}) 置高，依次对DAC A和DAC B进行编程，最后将 (LDAC) 置低再置高，即可同时更新两个通道的输出。

五、应用信息

稳定性

在I - V配置中，DAC的 (I_{OUT}) 和运算放大器的反相节点必须尽可能靠近连接，并采用适当的PCB布局技术。由于每次代码变化对应一个阶跃函数，如果运算放大器的增益带宽积（GBP）有限，且反相节点存在过多寄生电容，可能会出现增益峰值。可添加一个可选的补偿电容C1来提高稳定性，一般6pF的电容通常足以满足补偿需求。

双极性输出

AD5545/AD5555本质上是一个2象限乘法DAC，可轻松设置为单极性输出操作。在某些应用中，可能需要实现全4象限乘法能力或双极性输出摆幅，可通过使用一个额外的外部放大器U4配置为求和放大器来实现。该电路中，第二个放大器U4提供2倍的增益，将输出跨度幅度增加到5V。通过将外部放大器偏置为参考电压的2.5V偏移，可实现全4象限乘法电路。其传输方程如下：

• AD5545： (V{OUT}=(D / 32,768 - 1)× V{REF})
• AD5555： (V{OUT}=(D / 8192 - 1) × V{REF})

可编程电流源

图23展示了一个使用改进的Howland电流泵的多功能V - I转换电路，该电路不仅能提供精确的电流转换，还能实现双向电流流动和高电压合规性，可用于4mA至20mA的电流变送器，负载可达500Ω。如果电阻网络匹配，负载电流计算公式为： (I{L}=frac{frac{(R 2 + R 3)}{R 1}}{R 3} × V{REF} × D) 。为防止振荡，需要添加补偿电容C1，对于关键应用，C1的值可通过经验确定，通常在几皮法的范围内。

可编程输入参考范围的DAC

由于高电压参考可能成本较高，用户可以考虑使用其中一个DAC、一个数字电位器和一个低电压参考来形成一个具有可编程输入参考范围的单通道DAC。这种方法可以优化可编程范围，并通过软件更改方便未来系统升级。通过相关公式计算，可以得到参考电压 (V{REFAB}) 的表达式，进而确定DAC B的输出电压 (V{OB}) 。同时，为了保证 (V_{REFAB}) 的准确性，使用数字电位器U4，因为其具有固有的电阻匹配特性。

参考选择

在为AD55xx系列电流输出DAC选择参考时，需要关注参考的输出电压和温度系数规格。选择具有低输出温度系数的精密参考可以最小化误差源。表10列出了一些适合与该系列DAC配合使用的Analog Devices公司的参考产品。

放大器选择

电流舵模式对放大器的主要要求是低输入偏置电流和低输入失调电压。由于DAC的输出电阻与代码相关，运算放大器的输入失调电压会被电路的可变增益放大，从而导致输出电压的阶跃变化，产生差分线性误差。运算放大器的输入偏置电流也会在反馈电阻 (R{FB}) 中产生电压偏移。此外，运算放大器的共模抑制在电压切换电路中很重要，因为它会在电路的电压输出端产生与代码相关的误差。为了获得最小的建立时间，应尽量减小DAC的 (V{REF}) 节点（即该应用中的电压输出节点）的电容，可通过使用低输入电容的缓冲放大器和精心设计电路板来实现。表11和表12列出了Analog Devices公司提供的适用于精密直流和交流应用的各种放大器。

六、评估板

评估板概述

EVAL - AD5545SDZ评估板需与Analog Devices公司单独出售的SDP1Z系统演示平台板配合使用，通过基于Blackfin®的演示板完成与AD5545的USB - SPI通信。

系统演示平台

系统演示平台（SDP）是一个用于产品评估板的硬件和软件评估工具，基于Blackfin ADSP - BF527处理器，通过USB 2.0高速端口与PC连接。

评估板操作

评估板需要±12V和+5V电源，+12V (V{DD}) 和 - 12V (V{SS}) 用于为输出放大器供电，+5V用于为DAC（ (DV_{DD}) ）供电。评估板软件提供了设备选择窗口和AD5545双DAC操作界面，方便用户进行测试和配置。

评估板原理图和布局

文档中提供了评估板的原理图和布局图，包括Schematic Part A、Schematic Part B等，以及丝印图、元件面和焊接面的布局图，为用户进行电路设计和调试提供了详细的参考。

七、订购指南

文档提供了AD5545/AD5555的订购指南，包括不同型号的INL、DNL、分辨率、温度范围、封装描述、封装选项和订购数量等信息，方便用户根据自己的需求选择合适的产品。

综上所述，AD5545/AD5555是两款性能优异的数模转换器，具有高精度、高速响应、灵活的功能等特点，适用于自动测试设备、仪器仪表、数字控制校准、工业控制PLC、可编程衰减器等多种应用场景。在实际设计中，结合其电气特性、工作原理和应用信息，合理选择参考和放大器，使用评估板进行测试和验证，能够充分发挥其性能优势，实现高质量的电子系统设计。你在使用AD5545/AD5555的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。