在當今的電子設(shè)計領(lǐng)域，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）扮演著至關(guān)重要的角色，尤其是在需要高精度信號轉(zhuǎn)換的應(yīng)用場景中。今天，我們將深入探討德州儀器（Texas Instruments）的一款高性能14位、165MSPS數(shù)模轉(zhuǎn)換器——DAC904。

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一、DAC904概述

DAC904采用小幾何尺寸CMOS工藝制造，可在+2.7V至+5.5V的寬單電源范圍內(nèi)工作，低功耗特性使其非常適合便攜式和電池供電系統(tǒng)。它屬于高性能轉(zhuǎn)換器家族，提供14位分辨率選項，且家族成員（如DAC908、DAC900和DAC902）引腳兼容，分別提供8位、10位和12位分辨率，為設(shè)計人員提供了豐富的選擇。

二、關(guān)鍵特性與優(yōu)勢

（一）電氣特性卓越

1. 高分辨率與高更新率：具備14位分辨率，輸出更新率在不同電源電壓下表現(xiàn)出色。在2.7V至3.3V時可達125 - 165MSPS，在4.5V至5.5V時可達165 - 200MSPS，能滿足高速數(shù)據(jù)處理需求。
2. 低功耗設(shè)計：在+5V供電時功耗僅170mW，進入掉電模式后待機功耗低至45mW，有效降低系統(tǒng)能耗。
3. 高SFDR與低雜散：在20MHz輸出、100MSPS時，無雜散動態(tài)范圍（SFDR）可達64dBc，雜散脈沖低至3pV - s，確保輸出信號的純凈度。
4. 靈活的參考與滿量程調(diào)整：內(nèi)置1.24V帶隙參考，也可使用外部參考。通過一個外部電阻可將滿量程輸出電流在2 - 20mA范圍內(nèi)調(diào)整，同時保持指定的動態(tài)性能。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

1. 通信領(lǐng)域：適用于通信發(fā)射通道，如無線本地環(huán)路（WLL）、蜂窩基站、數(shù)字微波鏈路和電纜調(diào)制解調(diào)器等，為通信系統(tǒng)提供高質(zhì)量的模擬信號輸出。
2. 波形生成：可用于直接數(shù)字合成（DDS）和任意波形生成（ARB），滿足各種復雜波形的生成需求。
3. 醫(yī)療與超聲：在醫(yī)療設(shè)備和超聲檢測中，其高精度和低噪聲特性有助于提高檢測的準確性和可靠性。
4. 高速儀器與控制：為高速儀器和控制系統(tǒng)提供精確的模擬信號，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
5. 視頻與數(shù)字電視：在視頻處理和數(shù)字電視領(lǐng)域，可實現(xiàn)高質(zhì)量的視頻信號轉(zhuǎn)換和處理。

三、工作原理與架構(gòu)

（一）電流導向技術(shù)

DAC904采用電流導向技術(shù)實現(xiàn)快速切換和高更新率。其核心是一個分段電流源陣列，可提供高達20mA的滿量程輸出電流。每次DAC更新時，內(nèi)部解碼器對差分電流開關(guān)進行尋址，通過將所有電流導向輸出求和節(jié)點（$I{OUT}$或$\overline{I{OUT}}$）形成相應(yīng)的輸出電流。

（二）分段架構(gòu)優(yōu)勢

分段架構(gòu)顯著降低了雜散能量，提高了動態(tài)性能（SFDR）和差分非線性（DNL）。電流輸出保持大于200kΩ的高輸出阻抗，有助于減少信號失真。

（三）參考與輸出關(guān)系

滿量程輸出電流由內(nèi)部參考電壓（1.24V）與外部電阻$R{SET}$的比值決定，內(nèi)部將參考電流$I{REF}$乘以32得到有效的DAC輸出電流。

四、引腳配置與功能

（一）數(shù)據(jù)引腳

引腳1 - 14為數(shù)據(jù)位引腳，從最高有效位（MSB）到最低有效位（LSB）依次排列，用于輸入14位數(shù)字數(shù)據(jù)。

（二）控制引腳

1. PD引腳：掉電控制輸入，高電平有效。內(nèi)部有下拉電路，若不使用可懸空。
2. INT/EXT引腳：參考選擇引腳，用于選擇內(nèi)部（= 0）或外部（= 1）參考操作。
3. REFIN引腳：參考輸入/輸出引腳，具體功能根據(jù)參考選擇而定。
4. FSA引腳：滿量程輸出調(diào)整引腳，通過連接外部電阻調(diào)整滿量程輸出電流。

（三）電源與接地引腳

1. +VA引腳：模擬電源電壓引腳，范圍為2.7V至5.5V。
2. +VD引腳：數(shù)字電源電壓引腳，范圍為2.7V至5.5V。
3. AGND引腳：模擬接地引腳。
4. DGND引腳：數(shù)字接地引腳。

（四）時鐘引腳

CLK引腳為時鐘輸入引腳，上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)鎖存，下降沿更新DAC輸出。

五、輸出配置與應(yīng)用電路

（一）差分輸出配置

1. 變壓器配置：使用射頻變壓器將差分輸出信號轉(zhuǎn)換為單端信號，可顯著降低共模信號，提高動態(tài)性能。通過選擇合適的阻抗比，可實現(xiàn)最佳阻抗匹配和輸出電壓控制。
2. 運算放大器配置：采用差分放大器實現(xiàn)差分轉(zhuǎn)單端轉(zhuǎn)換和交流耦合。該配置適用于直流耦合輸出需求，但可能引入額外的失真，需選擇合適的放大器并進行參數(shù)調(diào)整。

（二）雙跨阻輸出配置

將信號輸出電流連接到運算放大器的求和節(jié)點，形成跨阻放大器。該配置可保持DAC輸出在虛地，實現(xiàn)最佳直流線性度，但在高頻時可能出現(xiàn)增益峰值，需進行補償。

（三）單端輸出配置

通過連接單個負載電阻將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓信號。負載電阻值應(yīng)根據(jù)輸出合規(guī)范圍進行選擇，以確保輸出信號的線性度和穩(wěn)定性。

六、參考操作模式

（一）內(nèi)部參考操作

將INT/EXT引腳接地，啟用內(nèi)部參考。使用2kΩ電阻可實現(xiàn)20mA滿量程輸出，通過選擇不同阻值的電阻可將輸出電流調(diào)整至2 - 20mA。建議在REFIN引腳旁路0.1μF或更大的陶瓷電容，以提高參考穩(wěn)定性。

（二）外部參考操作

將INT/EXT引腳置為高電平，禁用內(nèi)部參考，可使用外部參考電壓。外部參考輸入具有高輸入阻抗（1MΩ），但電壓范圍應(yīng)在0.1V至1.25V之間。

七、數(shù)字輸入與電源管理

（一）數(shù)字輸入特性

數(shù)字輸入采用標準正二進制編碼，時鐘上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)鎖存，下降沿更新輸出。邏輯閾值取決于數(shù)字電源電壓，DAC904支持2.7V至5.5V的電源范圍。

（二）掉電模式

通過將PD引腳置為高電平可進入掉電模式，降低電源電流至小于9mA。未連接時，內(nèi)部下拉電路使轉(zhuǎn)換器正常工作。

八、布局與接地注意事項

在設(shè)計PCB時，應(yīng)注意以下幾點：

1. 接地與去耦：采用多層PCB板，將模擬和數(shù)字電源及接地引腳分開連接，使用0.1μF陶瓷電容進行去耦，確保低阻抗路徑。
2. 布線規(guī)則：模擬信號走線應(yīng)與數(shù)字線路分開，避免噪聲耦合。模擬和數(shù)字接地平面應(yīng)在DAC下方一點連接，電源應(yīng)通過寬走線或平面提供，以降低阻抗。

九、總結(jié)

DAC904以其卓越的電氣特性、靈活的配置選項和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，成為電子工程師在數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)計中的理想選擇。在實際應(yīng)用中，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)具體需求合理選擇輸出配置、參考模式和電源管理方式，并注意PCB布局和接地，以充分發(fā)揮DAC904的性能優(yōu)勢。你在使用DAC904或其他數(shù)模轉(zhuǎn)換器時遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。