MAX5717/MAX5719：16和20位电压DAC的卓越之选

在电子设计领域，数模转换器（DAC）的性能直接影响着整个系统的精度和稳定性。今天，我们来深入了解一下Maxim Integrated推出的MAX5717和MAX5719这两款16和20位电压DAC，看看它们有哪些独特之处。

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一、概述

MAX5717和MAX5719是串行输入、无缓冲的16位和20位电压输出单极性/双极性DAC，集成了反馈电阻，配合外部运算放大器可实现双极性操作。它们具有低毛刺能量、低噪声、紧密的双极性电阻匹配和高精度等优点。在-40°C至+105°C的温度范围内，MAX5717A能达到1LSB的积分非线性（INL）最大值。集成的精密设置电阻让这两款DAC在双极性输出配置中使用起来更加方便。

二、主要特性

2.1 高分辨率

提供16位和20位的分辨率，能够满足不同应用场景对精度的要求。

2.2 低非线性误差

• 积分非线性（INL）：MAX5717A在16位模式下最大INL为1LSB，MAX5719在20位模式下也有出色的表现。
• 微分非线性（DNL）：MAX5717最大DNL为±0.5LSB（MAX5717A），保证了输出的线性度。

  2.3 快速建立时间

  典型建立时间为750ns，能够快速响应输入信号的变化，提高系统的实时性。

  2.4 低毛刺能量和噪声

• 毛刺能量：仅0.05nV - s，减少了输出信号的干扰。
• 输出噪声密度：6nV/√Hz，保证了输出信号的纯净度。

  2.5 集成精密电阻

  集成了±0.025%（最大）的双极性设置电阻，简化了电路设计。

  2.6 宽工作温度范围

  -40°C至+105°C的工作温度范围，适用于各种恶劣环境。

  2.7 高速串行接口

  支持50MHz的3线SPI™、QSPI™、MICROWIRE™和DSP兼容的串行接口，方便与其他设备进行通信。

三、应用领域

MAX5717和MAX5719的高性能使其在多个领域得到广泛应用：

• 测试和测量设备：高精度的输出能够满足测试设备对信号精度的要求。
• 自动测试设备：快速的建立时间和低噪声特性有助于提高测试效率和准确性。
• 增益和偏移调整：可用于精确调整系统的增益和偏移。
• 数据采集系统：为数据采集提供高精度的模拟信号。
• 过程控制和伺服环路：稳定的输出保证了过程控制的准确性。
• 便携式仪器：低功耗和宽温度范围使其适用于便携式设备。
• 可编程电压和电流源：可灵活编程输出不同的电压和电流。
• 自动调谐：实现系统的自动调谐功能。
• 通信系统：为通信系统提供稳定的模拟信号。

四、电气特性

4.1 静态性能

参数	MAX5717	MAX5719
分辨率	16位	20位
积分非线性（INL）	-4至+4LSB（16位）	-64.0至+64.0LSB（20位）
微分非线性（DNL）	-0.5至+0.5LSB（16位）	-2.0至+2.0LSB（20位）
零码偏移误差	-2至+2LSB（16位）	-32至+32LSB（20位）
零码温度系数	±0.2µV/°C	±0.2µV/°C
增益误差	-0.003%至+0.003%	-0.003%至+0.003%
增益误差温度系数	±0.1ppm/°C	±0.1ppm/°C

4.2 动态性能

• 电压输出压摆率：100V/µs
• 建立时间：至±1.0LSB的满量程阶跃（16位），±16LSB（20位），从CS低到高为1.5µs，从LDAC高到低为0.75µs。
• DAC毛刺脉冲：0.05nV - s
• 数字馈通：1.0nV - s
• 输出电压频谱噪声密度：6nV/√Hz
• 输出电压低频噪声：1µVp - p

4.3 参考输入特性

• 参考输入电压范围：4V至VDD
• 参考输入电阻：2至6kΩ
• 参考输入电容：代码为0时75pF，代码为满量程时120pF

4.4 电源要求

• 正电源电压：4.5V至5.5V
• 电源电流：DIN = SCLK = CS = LDAC = VDD时为750至1050µA，更新DAC时（fSCLK = 50MHz）为7mA

4.5 数字输入特性

• 输入高电压：0.7VDD
• 输入低电压：0.3VDD
• 输入迟滞：150mV
• 输入电流：-1至+1µA
• 输入电容：10pF

4.6 时序特性

• 串行时钟频率：0至50MHz
• SCLK周期：20ns
• SCLK脉冲宽度高：8ns
• SCLK脉冲宽度低：8ns
• CS下降到SCLK上升建立时间：8ns
• CS下降到SCLK上升保持时间：0ns
• CS上升到SCLK上升保持时间：8ns
• D IN到SCLK上升建立时间：5ns
• D IN到SCLK上升保持时间：4.5ns
• CS脉冲宽度高：20ns
• LDAC脉冲宽度：20ns
• CS高到LDAC建立时间：20ns
• 最后一个有效时钟边沿到DAC输出更新准备好：1210至1500ns

五、引脚配置

引脚名称	功能	类型
RFB	反馈电阻，双极性模式下连接到外部运算放大器的输出	模拟
OUT	DAC电压输出	模拟
AGNDF	模拟地（强制）	模拟
AGNDS	模拟地（检测）	模拟
REFS	参考输入（检测），连接到外部4.096V参考检测	模拟
REFF	参考输入（强制），连接到外部+4.096V参考强制输出	模拟
CS	低电平有效芯片选择输入	数字
SCLK	串行时钟输入，上升沿触发，占空比必须在40%至60%之间	数字
NC	未连接
DIN	SPI总线串行数据输入	数字
LDAC	LDAC输入，下降沿更新内部DAC锁存器	数字
DGND	数字地	电源
INV	内部电阻的结点，双极性模式下连接到外部运算放大器的反相输入	模拟
VDD	电源输入，连接到5V电源	电源

六、数字接口

6.1 16位接口（MAX5717）

SCLK上升沿将DIN输入的数据时钟输入。CS低电平区间构成16周期的SPI指令。合格的操作将在CS上升沿响应执行。少于16个SCLK周期的操作将不会执行，多于16个SCLK周期的操作将使用前两个字节的数据执行。要中止命令序列，CS的上升必须先于SCLK的第16个上升沿。LDAC允许DAC锁存器异步更新，在CS变高后将LDAC拉低。在数据加载序列期间保持LDAC高电平。

6.2 20位接口（MAX5719）

SCLK上升沿将DIN输入的数据时钟输入。CS低电平区间构成24周期的SPI指令。合格的操作将在CS上升沿响应执行。少于24个SCLK周期的操作将不会执行，多于24个SCLK周期的操作将使用前20位的数据执行。要中止命令序列，CS的上升必须先于SCLK的第24个上升沿。LDAC允许DAC锁存器异步更新，在CS变高后将LDAC拉低。在数据加载序列期间保持LDAC高电平。

6.3 吞吐量速率

吞吐量速率主要受加载DAC数据的时间和内部校准电路操作时间（数字延迟）的影响。在50MHz串行时钟频率下，将DAC数据时钟输入到输入寄存器所需的时间为20ns乘以分辨率的位数。对于20位DAC，数据在400ns内时钟输入到寄存器。数字延迟标称值为1210ns，最大值为1500ns。CS最小脉冲宽度还需要额外的20ns，总吞吐量周期为1.92µs。

七、应用信息

7.1 参考和模拟地输入

在参考输入之间施加4.0V至VDD的外部电压参考，参考电压决定了DAC的满量程输出电压。为了获得最佳性能，提供了开尔文连接。由于这些转换器是反相R - 2R电压模式DAC，电压参考看到的输入电阻与代码有关，最坏情况下输入电阻变化范围为2KΩ至15KΩ。对于4.096V参考，负载电流的最大变化约为2mA。因此，当使用负载调节为10ppm/mA的电压参考时，参考电压在整个输入代码范围内可能会变化约20ppm。所以，在需要最佳INL性能时，应使用缓冲放大器。此外，路径的阻抗必须保持较低，因为它直接影响负载调节误差。如果不使用单独的强制和检测线，应将适当的强制和检测引脚靠近封装连接在一起。

7.2 外部输出缓冲放大器

DAC在单极性和双极性模式下对外部输出缓冲放大器的要求不同。在单极性模式下，输出放大器采用电压跟随器配置；在双极性模式下，放大器与内部缩放电阻一起工作。在每种模式下，DAC的输出阻抗是恒定的，与输入代码无关，但输出放大器的输入阻抗应尽可能高，以最小化增益误差。DAC的输出电容也与输入代码无关，简化了外部放大器的稳定性要求。在双极性模式下，使用双电源的精密放大器（如MAX9632）可提供±VREF的输出范围。在单电源应用中，可选择输入共模范围包括AGND的精密放大器，但它们的输出摆幅通常不包括负轨（AGND），否则性能会显著下降。如果应用不使用接近零的代码，单电源放大器可能是合适的。由于高分辨率DAC的LSB非常小，应密切关注外部放大器的输入规格。输入失调电压可能会降低零刻度误差，如果失调电压大于½LSB，可能需要输出失调调整以保持完全精度。同样，输入偏置电流乘以DAC输出电阻（典型值2KΩ）会导致零刻度误差。还必须考虑失调电压和输入偏置电流的温度漂移。建立时间受缓冲输入电容、DAC输出电容和PCB电容的影响。典型的DAC输出电压对满量程阶跃达到±1ppm的建立时间为750ns，对于较小的阶跃变化，建立时间可能会显著减少。假设是单时间常数指数建立响应，满量程阶跃需要约13.8个时间常数才能达到最终输出电压的±1ppm以内。时间常数等于DAC输出电阻乘以总输出电容。任何额外的输出电容，如缓冲器的输入电容，都会增加建立时间。外部缓冲放大器的增益带宽积很重要，因为它会增加输出响应的另一个时间常数，从而增加建立时间。两个具有单时间常数响应的级联系统的有效时间常数约为两个时间常数之和的平方根。DAC输出的时间常数（由于内部电阻和电容）约为50ns，忽略额外电容的影响。如果带宽为10MHz的外部放大器的时间常数为1 / (2π × 10MHz) = 15.9ns，则组合系统的有效时间常数为：[50ns² + 15.9ns²]¹/² ≈ 52.5ns。这表明包括外部缓冲放大器在内，达到最终输出电压±1ppm以内的建立时间约为13.8 × 52.5ns = 724ns。

7.3 单极性配置

图4展示了MAX5717/MAX5719在单极性模式下与外部运算放大器的配置。运算放大器设置为单位增益，以下表格列出了使用16位MAX5717或20位MAX5719时该电路的代码和相应的输出电压。上电时，单极性模式下的默认输出为零刻度。

7.4 双极性配置

典型应用电路展示了DAC在双极性模式下与外部运算放大器的配置。以下表格列出了使用16位MAX5717和20位MAX5719时该电路的偏移二进制代码。表中显示了理想值（忽略偏移和增益误差）。上电时，双极性模式下的默认输出为负满量程（-VREF）。

7.5 电源旁路和接地管理

为了获得最佳系统性能，应使用具有独立模拟和数字接地平面的PCB，不建议使用绕线板。将两个接地平面在低阻抗电源源处连接在一起，在IC处将DGND和AGND连接在一起。通过将DAC的DGND和AGND引脚连接在一起，并将该点连接到系统模拟接地平面，可以实现最佳接地连接。如果DAC的DGND连接到系统数字接地，数字噪声可能会进入DAC的模拟部分。使用0.1μF陶瓷电容在VDD和AGND之间旁路VDD，将其短引脚安装在靠近器件的位置。也可以使用铁氧体磁珠进一步隔离模拟和数字电源。

八、订购信息

部件编号	温度范围	引脚封装
MAX5717 GSD+	-40°C至+105°C	14 SO
MAX5717GSD+T	-40°C至+105°C	14 SO
MAX5717A GSD+	-40°C至+105°C	14 SO
MAX5717AGSD+T	-40°C至+105°C	14 SO
MAX5719 GSD+	-40°C至+105°C	14 SO
MAX5719GSD+T	-40°C至+105°C	14 SO
MAX5719A GSD+	-40°C至+105°C	14 SO
MAX5719AGSD+T	-40°C至+105°C	14 SO

“+”表示无铅/符合RoHS标准的封装，“T”表示卷带包装。

综上所述，MAX5717和MAX5719以其高分辨率、低噪声、快速建立时间等优异特性，为电子工程师在设计高精度、高性能的数模转换系统时提供了可靠的选择。在实际应用中，我们需要根据具体需求合理选择和使用这两款DAC，并注意参考和模拟地输入、外部输出缓冲放大器、电源旁路和接地管理等方面的问题，以充分发挥它们的性能优势。大家在使用过程中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享交流。