MAX5821：一款实用的双路10位低功耗数模转换器

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重要桥梁。今天要给大家介绍的是MAXIM公司的MAX5821，一款双路10位低功耗、支持2线串行接口的电压输出DAC。

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一、产品概述

MAX5821是一款具有I2C兼容2线接口的双路10位电压输出DAC，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，电源电流仅为115µA，进入掉电模式后，电流消耗可降至1µA以下。该器件具备三种软件可选的掉电输出阻抗，分别为100kΩ、1kΩ和高阻抗，还拥有内部精密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、应用场景

MAX5821的应用场景十分广泛，包括但不限于以下几个方面：

1. 数字增益和偏移调整：在一些需要精确调整增益和偏移的电路中，MAX5821可以发挥重要作用。
2. 可编程电压和电流源：为电路提供可编程的电压和电流，满足不同的设计需求。
3. 可编程衰减：实现对信号的可编程衰减，提高电路的灵活性。
4. VCO/变容二极管控制：对压控振荡器（VCO）或变容二极管进行精确控制。
5. 低成本仪器仪表：适用于对成本敏感的仪器仪表设计。
6. 电池供电仪器：低功耗特性使其非常适合电池供电的仪器设备。

三、产品特性

低功耗设计

• 超低电源电流：在(V{DD}=3.6V)时，电源电流为115µA；在(V{DD}=5.5V)时，为135µA。掉电模式下，电流低至300nA。
• 单电源供电：支持2.7V至5.5V的单电源供电，方便设计。

高速接口

• 快速的I2C兼容2线串行接口：时钟速率最高可达400kHz，数据传输迅速。
• 施密特触发输入：可直接与光耦合器接口，增强了接口的兼容性。

输出特性

• 轨到轨输出缓冲放大器：输出能够达到电源轨，提供更大的输出范围。
• 三种软件可选的掉电输出阻抗：满足不同的应用需求。

其他特性

• 读回模式：可用于总线和数据检查，提高设计的可靠性。
• 上电复位至零：确保上电时DAC输出为零。
• 8引脚µMAX封装：体积小巧，适合空间有限的设计。

四、电气特性

静态精度

• 分辨率：10位，能够提供较高的精度。
• 积分非线性（INL）：±0.5至±4 LSB。
• 差分非线性（DNL）：保证单调，±0.5 LSB。
• 零码误差（ZCE）：在(V_{DD}=2.7V)时，为6至40mV。
• 增益误差（GE）：-0.8至 -3 %FSR。

参考输入

• 参考输入电压范围：0至(V_{DD})。
• 参考输入阻抗：65至90kΩ。
• 参考电流（掉电模式）：0.3至1µA。

DAC输出

• 输出电压范围：无负载时为0至(V_{DD})。
• 直流输出阻抗：代码为200 hex时，为1.2Ω。
• 短路电流：在不同电源电压下有不同的值。
• 唤醒时间：在(V{DD}=5V)和(V{DD}=3V)时均为8µs。
• DAC输出泄漏电流：掉电模式为高阻抗时，(V{DD}=5.5V)，(V{OUT}=V{DD})至GND，为±0.1至±1µA。

数字输入和输出

• 输入高电压（VIH）：0.7×(V_{DD})。
• 输入低电压（VIL）：0.3×(V_{DD})。
• 输出逻辑低电压（VOL）：(I_{SINK}=3mA)时，为0.4V。

动态性能

• 电压输出压摆率：0.5V/µs。
• 电压输出建立时间：至1/2LSB代码，100 hex至300 hex或300 hex至100 hex时，为4至12µs。
• 数字馈通：代码为000 hex，数字输入从0至(V_{DD})时，为0.2nV - s。
• 数模毛刺脉冲：主要进位转换时，为12nV - s。
• DAC间串扰：为2.4nV - s。

电源特性

• 电源电压范围：2.7至5.5V。
• 无负载时电源电流：不同电源电压下有不同的值。
• 掉电电源电流：(V_{DD}=5.5V)时，为0.3至1µA。

时序特性

• 串行时钟频率：最高400kHz。
• 停止和启动条件之间的总线空闲时间：1.3µs。
• 启动条件保持时间：0.6µs。
• SCL脉冲宽度低：1.3µs。
• SCL脉冲宽度高：0.6µs。

五、工作原理

DAC操作

MAX5821采用分段电阻串DAC架构，这种架构可以节省系统整体功耗，并保证输出的单调性。其输入编码为直二进制，输出电压由公式(V{OUT }=frac{V{REF } times(D)}{2^{N}})计算得出，其中(N = 10)（位），(D)为输入代码的十进制值（0至1023）。

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。每个缓冲器输出能够实现轨到轨摆动，并且能够驱动5kΩ与200pF并联的负载。输出在4µs内可稳定至±0.5LSB。

上电复位

MAX5821具有内部POR电路，上电时初始化设备。DAC寄存器设置为零刻度，设备进入掉电模式，输出缓冲器禁用，输出通过100kΩ终端电阻拉至GND。上电后，在进行任何转换之前必须发起唤醒命令。

掉电模式

MAX5821有三种软件控制的低功耗掉电模式，所有模式都会禁用输出缓冲器，并将DAC电阻串与参考断开，将电源电流消耗降至1µA，参考电流消耗降至1µA以下。不同模式下，输出阻抗不同，具体如下：	PD1	PD0	模式/功能
0	0	上电设备，DAC输出恢复到先前值
0	1	掉电模式0，设备掉电，输出浮空
1	0	掉电模式1，设备掉电，输出通过1kΩ电阻接地
1	1	掉电模式2，设备掉电，输出通过100kΩ电阻接地

数字接口

MAX5821的数字接口为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，它与SMBus兼容。SDA和SCL可以实现MAX5821与主设备之间的双向通信，速率最高可达400kHz。

六、使用注意事项

数字输入和接口逻辑

MAX5821的2线数字接口与I2C/SMBus兼容，数字输入（SCL和SDA）通过串行方式将数据加载到DAC中。施密特触发缓冲输入允许缓慢过渡的接口（如光耦合器）直接与设备接口，数字输入与CMOS逻辑电平兼容。

电源旁路和接地管理

为了获得最佳系统性能，需要注意PC板布局。应将模拟和数字信号分开，以减少噪声注入和数字馈通。使用接地平面，确保从GND到电源接地的接地回路短且阻抗低。在尽可能靠近设备的地方，使用0.1µF电容将(V_{DD})旁路到地。

七、总结

MAX5821是一款性能出色的双路10位低功耗数模转换器，具有低功耗、高速接口、多种输出阻抗可选等优点。它在多个应用领域都有广泛的应用前景，对于电子工程师来说，是一款值得考虑的器件。大家在实际设计中，是否也会优先考虑这类低功耗、高性能的DAC呢？欢迎在评论区分享你的看法。