MAX5820：双路8位低功耗2线串行电压输出DAC的解析与应用

在电子设计领域，数模转换器（DAC）是连接数字世界与模拟世界的关键桥梁。今天，我们就来深入了解一款性能出色的DAC——MAX5820。

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一、产品概述

MAX5820是一款双路8位电压输出的数模转换器，具备I²C兼容的2线接口，时钟速率最高可达400kHz。它采用单2.7V至5.5V电源供电，在(V_{DD}=3.6V)时电流消耗仅为115µA，还拥有低功耗的掉电模式，可将电流消耗降至1µA以下。此外，它具有三种软件可选的掉电输出阻抗（100kΩ、1kΩ和高阻抗），内部配备精密的轨到轨输出缓冲器和上电复位（POR）电路，上电时DAC处于100kΩ掉电模式。

二、产品特性

（一）低功耗特性

• 超低电源电流：在(V{DD}=3.6V)时为115µA，(V{DD}=5.5V)时为135µA，掉电模式下低至300nA，非常适合电池供电的设备。
• 单电源供电：支持2.7V至5.5V的单电源，简化了电源设计。

（二）接口与性能

• 高速I²C接口：支持400kHz的I²C兼容2线串行接口，数据传输快速高效。
• Schmitt触发输入：允许直接与光耦合器接口，增强了接口的抗干扰能力。
• 轨到轨输出缓冲放大器：输出能够达到电源轨，提供了更大的输出电压范围。
• 三种掉电输出阻抗：可根据不同的应用需求选择合适的掉电输出阻抗。
• 回读模式：方便进行总线和数据检查。

（三）其他特性

• 上电复位至零：确保设备上电时处于可预测的状态。
• 8引脚µMAX封装：体积小巧，节省电路板空间。

三、电气特性

（一）静态精度

• 分辨率：8位，能够提供较为精确的模拟输出。
• 积分非线性（INL）：典型值为±0.5 LSB，最大值为±1 LSB。
• 微分非线性（DNL）：保证单调，最大值为±0.5 LSB。
• 零码误差（ZCE）：在(V_{DD}=2.7V)时，典型值为6mV，最大值为40mV。
• 增益误差（GE）：代码为FF hex时，典型值为 -0.8% FSR，最大值为 -3% FSR。

（二）参考输入

• 参考输入电压范围：0至(V_{DD})。
• 参考输入阻抗：典型值为90kΩ。
• 参考电流：掉电模式下典型值为0.3µA，最大值为1µA。

（三）DAC输出

• 输出电压范围：空载时为0至(V_{DD})。
• 直流输出阻抗：代码为80 hex时，典型值为1.2Ω。
• 短路电流：(V{DD}=5V)时为42.2mA，(V{DD}=3V)时为15.1mA。
• 唤醒时间：(V{DD}=5V)和(V{DD}=3V)时均为8µs。
• DAC输出泄漏电流：掉电模式为高阻抗，(V_{DD}=5.5V)时，典型值为±0.1µA，最大值为±1µA。

（四）数字输入输出

• 数字输入：输入高电压为0.7(V{DD})，输入低电压为0.3(V{DD})，输入滞后为0.05(V_{DD})，输入泄漏电流典型值为±0.1µA，输入电容典型值为6pF。
• 数字输出：输出逻辑低电压在(I_{SINK}=3mA)时最大值为0.4V，三态泄漏电流典型值为±0.1µA，三态输出电容典型值为6pF。

（五）动态性能

• 电压输出压摆率：典型值为0.5V/µs。
• 电压输出建立时间：达到±0.5 LSB代码时，典型值为4µs，最大值为12µs。
• 数字馈通：代码为00 hex，数字输入从0至(V_{DD})时，典型值为0.2nV - s。
• 数模毛刺脉冲：主要进位转换时，典型值为12nV - s。
• DAC间串扰：典型值为2.4nV - s。

（六）电源与时序

• 电源电压范围：2.7V至5.5V。
• 无负载时电源电流：(V{DD}=3.6V)时典型值为115µA，(V{DD}=5.5V)时典型值为135µA。
• 掉电电源电流：(V_{DD}=5.5V)时典型值为0.3µA，最大值为1µA。
• 串行时钟频率：最高400kHz。

四、工作原理

（一）DAC操作

MAX5820采用分段电阻串DAC架构，不仅节省了系统整体功耗，还保证了输出的单调性。其输入编码为直接二进制，输出电压由公式(V{OUT - }=frac{V{REF } × D}{2^{N}})计算，其中(N = 8)（位），(D)为输入代码的十进制值（0至255）。

（二）输出缓冲

模拟输出由精密的单位增益跟随器缓冲，压摆率为0.5V/µs，每个缓冲输出能够轨到轨摆动，可驱动5kΩ与200pF的并联负载，并在4µs内达到±0.5 LSB。

（三）上电复位

内部POR电路在上电时初始化设备，将DAC寄存器设置为零刻度，设备进入掉电状态，输出缓冲器禁用，输出通过100kΩ终端电阻拉至GND。上电后，需先发出唤醒命令才能进行转换。

（四）掉电模式

具有三种软件控制的低功耗掉电模式，均会禁用输出缓冲器，将DAC电阻串与参考断开，使电源电流降至1µA，参考电流降至1µA以下。不同模式下输出状态不同，模式0输出为高阻抗，模式1输出通过1kΩ终端电阻拉至GND，模式2输出通过100kΩ终端电阻拉至GND。唤醒时，DAC输出恢复到之前的值，掉电期间输入和DAC寄存器的数据会保留。

（五）数字接口

采用I²C/SMBus兼容的2线接口，由串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）组成，在(V_{DD}=2.7V)至3.6V范围内兼容SMBus。SDA和SCL可实现MAX5820与主机之间最高400kHz的双向通信。MAX5820是仅收发的从设备，依赖主机生成时钟信号。主机通过发送正确的地址、命令和/或数据字与MAX5820通信，每个传输序列由START或REPEATED START条件和STOP条件框定，每个传输的字为8位，后面跟随一个确认时钟脉冲。

五、应用信息

（一）应用场景

• 数字增益和偏移调整：可精确调整信号的增益和偏移。
• 可编程电压和电流源：方便实现不同电压和电流的输出。
• 可编程衰减：用于信号的衰减控制。
• VCO/变容二极管控制：对VCO和变容二极管进行精确控制。
• 低成本仪器仪表：适用于对成本敏感的仪器设计。
• 电池供电仪器：低功耗特性使其非常适合电池供电的设备。

（二）设计注意事项

• 数字输入和接口逻辑：2线数字接口I²C/SMBus兼容，数字输入采用Schmitt触发缓冲输入，可直接与光耦合器等慢过渡接口连接，且与CMOS逻辑电平兼容。
• 电源旁路和接地管理：合理的PCB布局对系统性能至关重要，应将模拟和数字信号分开，减少噪声注入和数字馈通。使用接地平面确保接地回路短且阻抗低，在靠近设备处使用0.1µF电容对(V_{DD})进行旁路。

六、总结

MAX5820以其低功耗、高性能和丰富的特性，为电子工程师在设计数模转换电路时提供了一个优秀的选择。无论是在电池供电设备还是对性能要求较高的仪器仪表中，都能发挥出色的作用。在实际应用中，我们需要根据具体的需求，合理选择其工作模式和参数，同时注意PCB布局等设计细节，以充分发挥其性能优势。大家在使用MAX5820的过程中，有没有遇到过什么有趣的问题或者独特的应用呢？欢迎在评论区分享交流。