一文读懂 MAX504/MAX515：低功耗 10 位串行 DAC 优选

一、引言

在电子设计的世界里，数模转换器（DAC）就像是数字信号与模拟世界之间的桥梁。今天我们就来深入了解一下 MAXIM 推出的两款低功耗、电压输出的 10 位串行 DAC——MAX504 和 MAX515。它们专为单 +5V 电源供电而设计，具有许多出色的特性，能满足多种应用场景的需求。

文件下载：MAX504.pdf

二、产品概述

2.1 基本特性

MAX504 和 MAX515 是低功耗、电压输出的 10 位 DAC。MAX504 还能在 ±5V 电源下工作，而 MAX515 仅需单 +5V 电源。MAX515 的供电电流仅 140µA，MAX504（带内部参考）也只需 260µA，非常适合对功耗要求较高的应用。

2.2 封装形式

MAX515 有 8 引脚 DIP 和 SO 封装，MAX504 则采用 14 引脚 DIP 和 SO 封装。这两种器件都经过了失调电压、增益和线性度的调整，无需额外校准，为工程师节省了调试时间。

2.3 输出特性

MAX515 的缓冲器固定增益为 2，而 MAX504 的内部运算放大器可配置为增益 1 或 2，还能实现单极性或双极性输出电压。此外，MAX504 无需外部电阻或运算放大器，就能作为四象限乘法器使用。

三、应用领域

这两款 DAC 的应用范围十分广泛，涵盖了电池供电的测试仪器、数字失调和增益调整、电池供电/远程工业控制、机器和运动控制设备以及蜂窝电话等领域。这些应用场景都对 DAC 的低功耗、高精度和稳定性有较高要求，而 MAX504/MAX515 正好能满足这些需求。大家在设计类似产品时，是否会优先考虑这两款 DAC 呢？

四、电气特性

4.1 单 +5V 电源供电

在单 +5V 电源供电的情况下，它们具有良好的静态和动态性能。分辨率为 10 位，相对精度（INL）最大为 ±0.5 LSB，差分非线性（DNL）最大为 ±1 LSB，并且保证在整个温度范围内单调。输出电压范围可根据不同配置进行调整，如 MAX504（增益为 1）的输出范围是 0 到 VDD - 0.4V，MAX504（增益为 2）和 MAX515 的输出范围是 0 到 VDD - 2V。

4.2 双 ±5V 电源供电（仅 MAX504）

当 MAX504 使用双 ±5V 电源供电时，同样能保持较高的性能。其分辨率依然为 10 位，相对精度和差分非线性与单电源供电时相同。输出电压范围会根据增益的不同而有所变化，如增益为 1 时，输出范围是 VSS + 2V 到 VDD - 2V；增益为 2 时，输出范围是 VSS + 0.4V 到 VDD - 0.4V。

五、典型工作特性

文档中给出了多个典型工作特性曲线，如输出源能力与输出上拉电压的关系、输出灌电流能力与输出下拉电压的关系、模拟馈通与频率的关系等。这些曲线能帮助工程师更好地了解器件在不同条件下的性能，从而优化设计。大家在实际应用中，有没有根据这些特性曲线来调整电路参数呢？

六、引脚说明

MAX504 和 MAX515 的引脚功能各有特点。例如，BIPOFF 引脚用于双极性失调/增益电阻，DIN 为串行数据输入，CS 是片选信号（低电平有效）等。了解这些引脚的功能，对于正确连接和使用器件至关重要。

七、详细工作原理

7.1 DAC 转换原理

MAX504/MAX515 使用“倒置”的 R - 2R 梯形网络和单电源 CMOS 运算放大器将 10 位数字数据转换为模拟电压。内部复位电路在电源上电时会将 DAC 寄存器复位为全 0，同时，CLR 引脚低电平可异步将 DAC 寄存器置为全 0。

7.2 缓冲放大器

输出缓冲器是一个单位增益稳定、轨到轨输出的 BiCMOS 运算放大器，输入失调电压和共模抑制比经过调整，以实现优于 10 位的性能。其建立时间为 25µs 到最终值的 0.01%，输出具有短路保护功能，能驱动 2kΩ 负载和超过 100pF 的负载电容。

7.3 内部参考（仅 MAX504）

MAX504 的片上参考经过激光调整，可在 REFOUT 引脚产生 2.048V 的电压。输出级能够提供和吸收电流，以快速响应代码相关的负载变化。为了降低噪声，可在 REFOUT 和 AGND 之间连接一个 33µF 的电容；若对噪声要求不高，也可使用 3.3µF 以上的电容。

7.4 外部参考

在双电源工作时，MAX504 可使用范围在 (VSS + 2V) 到 (VDD - 2V) 的外部参考；单电源使用时，参考电压必须为正且不超过 VDD - 2V。参考电压决定了 DAC 的满量程输出。

7.5 逻辑接口

MAX504/MAX515 的逻辑输入与 TTL 或 CMOS 逻辑电平兼容。为了实现最低功耗，建议使用轨到轨 CMOS 逻辑驱动数字输入。

7.6 串行时钟和更新速率

MAX504/MAX515 的最大串行时钟速率约为 14MHz，数字更新速率受片选周期限制，约为 877kHz。但考虑到 DAC 达到 10 位精度的建立时间为 25µs，全量程阶跃转换时的更新速率可能会限制到 40kHz。

八、应用信息

8.1 串行接口

MAX504/MAX515 使用三线串行接口，与 SPI、QSPI（CPOL = CPHA = 0）和 Microwire 标准兼容。通过写入两个 8 位字来对 DAC 进行编程，16 位串行数据按 4 个填充（虚拟）位、10 个数据位和 2 个次 LSB 0 的顺序时钟输入。

8.2 级联应用

DOUT 引脚允许两个或多个 DAC 级联。数据在 DIN 输入后，会在 DOUT 输出，延迟 16 个时钟周期加一个时钟宽度。为了保证正确的时序，需要确保 SCLK 低电平时间（tCL）大于 DOUT 有效传播延迟（tDO）和 DIN 建立时间（tDS）之和。

8.3 不同配置模式

• 单极性配置：MAX504 通过不同的引脚连接可实现增益为 1 或 2 的单极性输出。MAX515 内部配置为单极性增益为 2 的操作。
• 双极性配置：将 BIPOFF 连接到 REFIN，RFB 连接到 VOUT，并使用双（±5V）电源，可实现双极性输出。
• 四象限乘法器：MAX504 可作为四象限乘法器使用，需要使用偏移二进制数字代码、双极性电源和在 VSS + 2V 到 VDD - 2V 范围内的双极性模拟输入。

8.4 电源旁路和接地管理

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。同时，使用 0.1µF 陶瓷电容对 VDD（双电源模式下还有 VSS）进行旁路，靠近器件安装并使用短引脚。

8.5 节能措施

当系统不使用 DAC 时，可通过设置适当的代码来最小化负载电流，从而降低功耗。例如，在双极性模式下，将 DAC 代码设置为中值；无输出负载时，将 DAC 设置为全 0（MAX504 可使用 CLR 引脚）。

九、总结

MAX504 和 MAX515 这两款 10 位串行 DAC 以其低功耗、高精度和灵活的配置特性，为电子工程师在各种应用场景中提供了可靠的选择。无论是电池供电的设备，还是对精度要求较高的工业控制和测试仪器，它们都能发挥出色的性能。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择器件的配置和工作模式，同时注意电源旁路和接地管理等细节，以确保系统的稳定性和可靠性。大家在使用这两款 DAC 时，有没有遇到过什么问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享。