探索MAX5130/MAX5131：13位串行电压输出DAC的卓越性能

在电子设计领域，数模转换器（DAC）扮演着至关重要的角色，它能够将数字信号转换为模拟信号，广泛应用于工业过程控制、自动测试设备等众多领域。今天，我们就来深入了解一下MAXIM公司推出的两款低功耗、13位电压输出DAC——MAX5130和MAX5131。

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产品概述

MAX5130和MAX5131是具有内部精密带隙基准和输出放大器的低功耗13位电压输出DAC。MAX5130采用单+5V电源供电，内部基准电压为+2.5V，能够提供+4.0955V的满量程输出；而MAX5131则在+3V电源下工作，内部基准电压为+1.25V，满量程输出为+2.04775V。这两款器件的供电电流仅为500µA，在掉电模式下可降至3µA，并且具有上电复位功能，允许用户选择初始输出状态为0V或中量程，有效减少了上电期间的输出电压毛刺。

产品特性

电源与输出范围

• 单电源供电：MAX5130支持+5V电源，MAX5131支持+3V电源，满足不同应用场景的需求。
• 满量程输出范围：MAX5130可达+4.0955V，MAX5131为+2.04775V，能够提供较为宽广的输出范围。

基准与性能

• 内置精密带隙基准：温度系数最大为10ppm/°C，MAX5130的基准电压为+2.5V，MAX5131为+1.25V，确保了输出的稳定性和准确性。
• 可调节输出偏移：用户可以通过调节输出偏移电压，满足不同的应用需求。

接口与兼容性

• SPI/QSPI/MICROWIRE兼容的3线串行接口：方便与其他设备进行连接和通信，适用于级联多个设备。
• 引脚可编程关机模式和上电复位：用户可以根据需要灵活控制设备的工作状态。

输出驱动能力

• 缓冲输出：能够驱动5kΩ||100pF或4 - 20mA负载，具有较强的驱动能力。

封装与升级

• 节省空间的16引脚QSOP封装：适合对空间要求较高的应用场景。
• 引脚兼容升级：可升级至12位的MAX5120/MAX5121或14位的MAX5170/MAX5172，方便用户根据需求进行升级。

电气特性

静态性能

两款器件的分辨率均为13位，积分非线性（INL）和微分非线性（DNL）表现良好，偏移误差和增益误差也在合理范围内。例如，MAX5130A的INL为±0.5LSB，MAX5131A的INL为±1LSB。

动态性能

电压输出压摆率典型值为0.6V/µs，输出建立时间在20µs内可达到±0.5LSB，能够满足大多数应用的动态响应要求。

电源要求

MAX5130的电源电压范围为4.5 - 5.5V，MAX5131为2.7 - 3.6V，正常工作时的供电电流约为500µA，掉电模式下可降至3 - 20µA。

引脚描述

MAX5130/MAX5131共有16个引脚，每个引脚都有其特定的功能：

• OS：偏移调整（模拟输入）
• OUT：模拟输出电压，在关机状态下为高阻抗
• RSTVAL：复位值输入（数字输入），用于选择输出复位值为中量程或0V
• PDL：掉电锁定（数字输入），可禁止或允许设备进入掉电模式
• CLR：复位DAC输入（数字输入），将DAC清零至预定的输出状态
• CS：片选输入（数字输入），低电平有效
• DIN：串行数据输入，数据在SCLK的上升沿时钟输入
• SCLK：串行时钟输入
• DGND：数字地
• DOUT：串行数据输出
• UPO：用户可编程输出（数字输出）
• PD：掉电输入（数字输入），高电平使设备进入掉电模式
• AGND：模拟地
• REF：缓冲基准输出/输入，可使用内部或外部基准
• REFADJ：模拟基准调整输入，需连接33nF电容至AGND
• VDD：正电源，需使用0.1µF和4.7µF电容并联至AGND进行旁路

工作原理

内部基准

MAX5130和MAX5131均采用片上精密带隙基准，分别产生+2.5V（MAX5130）和+1.25V（MAX5131）的输出电压。REF引脚可提供高达100µA的电流，但在电容负载超过100pF时可能会不稳定。REFADJ引脚可用于对基准电压进行微调，通过连接33nF电容至AGND可实现低噪声操作。

外部基准

用户可以通过将REFADJ引脚拉至VDD来禁用内部基准，并将外部基准信号（AC或DC）输入到REF引脚。输出电压可通过公式(V{OUT }=left[V{REF } cdot(NB / 8192)right] cdot 1.6384 V / V)计算，其中NB为输入代码的数值，VREF为外部基准电压。

输出放大器

输出放大器采用微调电阻分压器，设置增益为+1.6384V/V，以最小化增益误差。典型的压摆率为0.6V/µs，在5kΩ并联100pF负载下，可在20µs内稳定至±0.5LSB。OS引脚可用于调整输出偏移电压。

掉电模式

MAX5130/MAX5131支持软件和硬件可编程的掉电模式，可将典型供电电流降至3µA。在掉电模式下，放大器输出变为高阻抗，串行接口保持活跃，输入寄存器中的数据得以保存。退出掉电模式时，需要同时加载输入和DAC寄存器，或从输入寄存器更新DAC寄存器，并等待2ms（使用内部基准）或20µs（使用外部基准）使输出稳定。

串行接口配置

MAX5130/MAX5131的3线串行接口与SPI、QSPI、PIC16/PIC17和MICROWIRE接口标准兼容。16位串行输入字包含三个控制位和13个数据位，采用MSB优先格式。通过控制位可以确定DOUT的时钟输出边缘、用户可编程逻辑输出的状态以及设备在掉电后的配置。

应用信息

单极性输出

MAX5130/MAX5131可实现单极性、轨到轨操作，增益为1.6384V/V。MAX5130使用+2.5V内部基准可产生0至+4.0955V的单极性输出范围，MAX5131使用+1.25V内部基准可产生0至+2.04775V的输出范围。通过连接适当的电压到OS引脚，可以实现输出电压的偏移。

双极性输出

通过特定的电路配置，MAX5130/MAX5131可实现单位增益双极性操作。输出电压由公式(V{OUT }=V{REF } cdot[{G cdot(NB / 8192)}-1])确定，其中G为整体增益。

级联设备

多个MAX5130/MAX5131可以通过将一个设备的DOUT引脚连接到下一个设备的DIN引脚进行级联，也可以让多个设备共享一个共同的DIN信号线，但需要更多的I/O线。

外部参考与交流分量

MAX5130/MAX5131在参考输入电压范围内具有乘法能力，可以通过特定技术将正弦输入应用于REF引脚。

设计考虑

电源和旁路

上电时，输入和DAC寄存器会清零至零（RSTVAL = DGND）或中量程（RSTVAL = VDD）。电源需要使用4.7µF和0.1µF电容并联至AGND进行旁路，同时要尽量减少引线长度以降低引线电感。

布局

数字和交流瞬态信号耦合到AGND可能会在输出端产生噪声，因此AGND应连接到高质量的地，并采用适当的接地技术，如使用具有低电感接地平面的多层板。不建议使用绕线板和插座，如有必要，可能需要进行屏蔽。

总结

MAX5130/MAX5131以其低功耗、高精度、灵活的接口和丰富的功能，为电子工程师在各种应用场景中提供了一个优秀的选择。无论是工业过程控制、自动测试设备还是数字偏移和增益调整等领域，这两款DAC都能够发挥出色的性能。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择电源、基准和输出配置，并注意电源旁路和布局等方面的问题，以确保设备的稳定运行。你在使用DAC的过程中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。