低功耗14位DAC：MAX5170/MAX5172的深度解析

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，我们将深入探讨MAX5170/MAX5172这两款低功耗、串行、14位电压输出DAC，了解它们的特性、应用以及设计要点。

文件下载：MAX5170.pdf

一、产品概述

MAX5170/MAX5172采用节省空间的16引脚QSOP封装，内置精密输出放大器。MAX5170使用+5V单电源，MAX5172使用+3V单电源，两者的电源电流仅为280µA，关断时降至1µA。其可编程上电复位功能允许用户选择上电输出电压为0或中值。

特性亮点

1. 高精度：±1 LSB的积分非线性（INL），确保输出的准确性。
2. 低功耗：1µA的关断电流，适合对功耗敏感的应用。
3. 无毛刺输出：上电时输出电压几乎“无毛刺”，毛刺限制在几毫伏以内。
4. 单电源操作：MAX5170为+5V，MAX5172为+3V。
5. 宽输出范围：MAX5172满量程输出范围为+2.048V（VREF = +1.25V），MAX5170为+4.096V（VREF = +2.5V）。
6. 轨到轨输出放大器：提供更大的输出电压摆幅。
7. 可调节输出偏移：通过OS引脚进行偏移调整。
8. 低总谐波失真（THD）：在乘法操作中低至 -80dB。
9. 兼容多种接口：SPI/QSPI/MICROWIRE兼容的3线串行接口。
10. 可编程关断模式和上电复位：灵活控制设备状态。
11. 缓冲输出：能够驱动5kΩ || 100pF负载。
12. 用户可编程数字输出引脚：可实现对外部组件的串行控制。

二、电气特性

静态性能

两款器件的分辨率均为14位。MAX5170A的INL为±1 LSB，MAX5170B为±2 LSB；MAX5172A的INL为±2 LSB，MAX5172B为±4 LSB。差分非线性（DNL）均为±1 LSB，偏移误差为±10mV。

动态性能

输出电压摆率典型值为0.6V/µs，输出建立时间为18µs（至±0.5LSB）。

电源特性

MAX5170的正电源电压为4.5 - 5.5V，MAX5172为2.7 - 3.6V。正常工作时电源电流为0.28 - 0.4mA，关断电流为1 - 10µA。

时序特性

不同的时钟周期、脉冲宽度和延迟时间等参数确保了与外部设备的准确通信。例如，MAX5170的SCLK时钟周期为100ns，MAX5172为150ns。

三、引脚说明

引脚	名称	功能
1	OS	偏移调整，连接到AGND无偏移
2	OUT	电压输出，关断时高阻抗
3	RS	复位模式选择，连接VDD选择中值复位输出电压，连接DGND选择0复位输出电压
4	PDL	掉电锁定，连接VDD允许关断，连接DGND禁用软件和硬件关断
5	CLR	清除DAC，根据RS将DAC清零或复位到中值
6	CS	芯片选择输入，CS为高时DIN被忽略
7	DIN	串行数据输入，在SCLK上升沿时钟输入
8	SCLK	串行时钟输入
9	DGND	数字地
10	DOUT	串行数据输出
11	UPO	用户可编程输出，状态由串行输入设置
12	SHDN	关断输入，PDL = VDD时拉高SHDN使芯片进入关断状态
13	AGND	模拟地
14	REF	参考输入，最大VREF为VDD - 1.4V
15	N.C.	无连接
16	VDD	正电源，需用4.7µF和0.1µF电容旁路到AGND

四、详细工作原理

参考输入

参考输入可接受AC和DC值，电压范围为0至VDD - 1.4V。输出电压由公式 (V{OUT }=frac{V{REF } × N × Gain }{16384}) 计算，其中N为DAC二进制输入代码的数值，VREF为参考电压，Gain为内部设定的电压增益（OS = AGND时为+1.638V/V）。

输出放大器

当OS连接到AGND时，输出放大器采用内部微调电阻分压器，将增益设置为+1.638V/V，最小化增益误差。在加载5kΩ || 100pF负载时，典型摆率为0.6V/µs，18µs内可稳定到±0.5LSB。

关断模式

可通过软件或硬件编程进入关断模式，此时典型电源电流降至1µA。关断时，参考输入和放大器输出变为高阻抗，串行接口保持活跃。退出关断时，需等待40µs让输出稳定。

串行接口

3线串行接口兼容SPI、QSPI和MICROWIRE标准。16位串行输入字由两个控制位和14位数据组成，控制位决定设备的操作模式。

串行数据输出（DOUT）

DOUT是内部移位寄存器的输出，可用于多个设备的级联和数据回读。默认情况下，数据在串行时钟的上升沿移出，提供16个时钟周期的延迟。

用户可编程逻辑输出（UPO）

UPO允许通过串行接口控制外部设备，减少微控制器I/O引脚的使用。掉电时，该输出保留关断前的数字状态。

复位（RS）和清除（CLR）

CLR引脚可将输出电压复位。RS连接DGND时，CLR将输出电压复位到最小值；RS连接VDD时，CLR将输出电压复位到中值。同时，CLR会将UPO复位到编程的默认状态。

五、应用电路设计

单极性输出

如图6所示，MAX5170/MAX5172可配置为单极性、轨到轨操作，增益为+1.638V/V。最大输出电压限制为VDD，可通过OS引脚引入偏移电压。

双极性输出

图8展示了双极性输出电路，输出电压由特定公式计算。不同的DAC输入代码对应不同的模拟输出电压。

偏移和缓冲配置

通过OS引脚引入偏移电压，偏移量由公式 (VOFFSET =VOS times(1 - Gain )) 计算。将OS连接到OUT可将输出放大器的增益设置为1。

设备级联

DOUT引脚允许多个MAX5170/MAX5172级联，只需两条线即可控制所有DAC。也可让多个设备共享一个DIN信号线，但每个设备需要一个专用的CS线。

使用交流参考

MAX5170/MAX5172可接受带有AC分量的参考电压，只要参考电压保持在0至VDD - 1.4V之间。

六、电源和布局考虑

为了获得最佳系统性能，建议使用带有独立模拟和数字接地平面的印刷电路板。将DGND和AGND引脚在IC处连接在一起，并连接到系统模拟接地平面。使用4.7µF和0.1µF电容旁路电源，尽量减小引线长度以降低电感。同时，要确保DAC参考输入引脚的参考输出阻抗尽可能低，以维持INL和DNL性能以及增益漂移。

七、总结

MAX5170/MAX5172以其低功耗、高精度和丰富的功能，在工业过程控制、数字偏移和增益调整、运动控制等众多领域具有广泛的应用前景。电子工程师在设计过程中，应充分考虑其电气特性、引脚功能和应用电路设计要点，以实现最佳的系统性能。在实际应用中，你是否遇到过类似DAC的使用问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。