MAX5105/MAX5106：非易失性四路8位DAC的全面解析與應(yīng)用

在電子設(shè)計領(lǐng)域，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）是連接數(shù)字世界和模擬世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們要深入探討的是Maxim公司的兩款優(yōu)秀DAC產(chǎn)品——MAX5105和MAX5106，它們以其獨特的特性和出色的性能，在眾多應(yīng)用場景中發(fā)揮著重要作用。

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一、產(chǎn)品概述

MAX5105/MAX5106是兩款非易失性四路8位DAC，采用單+2.7V至+5.5V電源供電。其內(nèi)部的EEPROM能夠在斷電后存儲DAC狀態(tài)，上電時自動將這些非易失性寄存器中的數(shù)據(jù)初始化到DAC輸出和工作狀態(tài)。這一特性使得設(shè)備在重新上電后能夠快速恢復(fù)到之前的工作狀態(tài)，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

內(nèi)部的高精度緩沖器支持軌到軌（Rail - to - Rail）擺動，參考輸入范圍涵蓋了地和正電源軌，為設(shè)計提供了更大的靈活性。此外，它們還具備軟件控制的10μA關(guān)斷模式和靜音狀態(tài)，可將DAC輸出驅(qū)動到各自的REFL_電壓。其中，MAX5105更是集成了異步MUTE輸入和RDY/BSY輸出，用于指示非易失性存儲器的狀態(tài)。

這兩款產(chǎn)品在封裝形式上也有所不同。MAX5105有20引腳QSOP和20引腳寬體SO封裝可選，而MAX5106則采用16引腳QSOP封裝，用戶可以根據(jù)實際的應(yīng)用需求和電路板空間進行選擇。

二、產(chǎn)品特性

2.1 非易失性存儲

片上EEPROM能夠存儲DAC狀態(tài)，上電復(fù)位時所有寄存器會初始化為預(yù)存儲的狀態(tài)，確保設(shè)備在斷電重啟后能迅速恢復(fù)正常工作，無需重新配置參數(shù)，為系統(tǒng)的連續(xù)運行提供了有力保障。

2.2 寬電源電壓范圍

支持+2.7V至+5.5V的單電源供電，適用于各種不同電源規(guī)格的應(yīng)用場景，無論是電池供電的便攜式設(shè)備，還是使用標準電源的工業(yè)設(shè)備，都能輕松適配。

2.3 四路獨立DAC

配備四個8位DAC，每個DAC都有獨立的高、低參考輸入（MAX5105），參考輸入范圍從地到VDD。這種設(shè)計使得每個DAC可以根據(jù)不同的需求設(shè)置不同的參考電壓，實現(xiàn)更精確的模擬輸出。

2.4 軌到軌輸出緩沖器

輸出緩沖器支持軌到軌輸出，能夠提供接近電源電壓范圍的輸出信號，有效提高了信號的動態(tài)范圍，增強了信號的驅(qū)動能力。

2.5 低功耗設(shè)計

正常工作時的電源電流僅為1mA，關(guān)斷模式下的最大電流僅為10μA，大大降低了設(shè)備的功耗，延長了電池供電設(shè)備的續(xù)航時間，同時也減少了散熱需求，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.6 小封裝與兼容接口

采用20或16引腳QSOP小封裝，節(jié)省了電路板空間。并且支持SPI?/QSPI?/MICROWIRE?兼容的串行接口，方便與各種微處理器進行通信，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計。

2.7 其他特性

MAX5105還具備異步MUTE輸入和RDY/BSY引腳，用于指示存儲器狀態(tài)。此外，產(chǎn)品的工作溫度范圍為 - 40°C至+85°C，能夠適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境。

三、技術(shù)參數(shù)

3.1 絕對最大額定值

• 電壓限制：VDD、DIN、CS、CLK、MUTE至地的電壓范圍為 - 0.3V至+6V；DOUT、REFH、REFL、RDY/BSY、OUT_至地的電壓范圍為 - 0.3V至(VDD + 0.3V)。
• 電流限制：任何引腳的最大電流為±50mA。
• 功耗限制：不同封裝的連續(xù)功率耗散有所不同。例如，16引腳QSOP在+70°C以上時，每升高1°C需降額8.3mW；20引腳QSOP在+70°C以上時，每升高1°C需降額9.1mW；20引腳SO在+70°C以上時，每升高1°C需降額10mW。
• 溫度限制：工作溫度范圍為 - 40°C至+85°C，存儲溫度范圍為 - 65°C至+150°C，結(jié)溫為+150°C，引腳焊接溫度（10s）為+300°C。

3.2 電氣特性

• 靜態(tài)精度：分辨率為8位，積分非線性（INL）在特定代碼范圍內(nèi)最大為±1LSB，差分非線性（DNL）在特定代碼范圍內(nèi)最大為±0.5LSB。
• 參考輸入：參考輸入電壓范圍為0至VDD，輸入電阻為92kΩ至413kΩ，輸入電阻匹配精度為±0.2%至±1%，輸入電容為10pF。
• DAC輸出：輸出電壓范圍為VREFL至(VREFH - VREFL) x (N/256) + VREFL，輸出電流最大為±1.0mA，放大器輸出電阻為3Ω。
• 數(shù)字輸入/輸出：輸入高電壓為0.7 x VDD，輸入低電壓為0.8V，輸入電流最大為±10μA，輸入電容為10pF；輸出高電壓為VDD - 0.3V，輸出低電壓為0.4V，三態(tài)泄漏電流最大為±10μA，三態(tài)輸出電容為15pF。
• 動態(tài)性能：CLK到OUT_的建立時間為6μs，通道間串擾在特定條件下為85dB，信號與噪聲加失真比（SINAD）在不同條件下為56dB至58dB，參考饋通在特定條件下為86dB，時鐘饋通為4nV - s，DAC輸出白噪聲為75nV/√Hz，關(guān)斷恢復(fù)時間為7μs，關(guān)斷時間為2μs。
• 電源：電源電壓范圍為2.7V至5.5V，電源電流在正常工作時為0.8mA至1.0mA，在非易失性寫入操作時為20mA，關(guān)斷電流為0.5μA至10μA。

3.3 數(shù)字時序

• 時鐘參數(shù)：CLK周期為1μs，CLK高時間為300ns，CLK低時間為300ns。
• 片選參數(shù)：CS高時間為150ns，CS建立時間為100ns，CS保持時間為0ns。
• 數(shù)據(jù)參數(shù)：DIN建立時間為100ns，DIN保持時間為0ns，CLK到DOUT有效時間為1μs，CLK到DOUT傳播延遲為1μs，DOUT禁用時間為250ns，非易失性存儲時間為13ms。

3.4 非易失性存儲器可靠性

數(shù)據(jù)保留時間按照MIL STD - 883測試方法1008測試，可達100年；耐久性按照MIL STD - 883測試方法1033測試，可進行100,000次存儲操作。

四、引腳描述

MAX5105和MAX5106的引腳功能有所不同，但都圍繞著DAC的輸入、輸出、控制和電源等方面。下面是主要引腳的簡要說明：

• REFHx：DACx的高參考輸入引腳，用于設(shè)置DAC的滿量程電壓。
• REFLx：DACx的低參考輸入引腳，用于設(shè)置DAC的零代碼輸出電壓。
• VDD：正電源電壓引腳。
• RDY/BSY（MAX5105）：就緒/忙狀態(tài)的開漏輸出引腳，用于指示非易失性存儲器的狀態(tài)，需要連接一個100kΩ上拉電阻到VDD。
• CLK：串行時鐘輸入引腳，用于同步串行數(shù)據(jù)的傳輸。
• CS：芯片選擇輸入引腳，低電平有效，用于使能芯片。
• DIN：串行數(shù)據(jù)輸入引腳，用于向芯片寫入數(shù)據(jù)。
• DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出引腳，用于從芯片讀取數(shù)據(jù)。
• MUTE（MAX5105）：靜音輸入引腳，可將所有DAC輸出驅(qū)動到各自的REFL_電壓。
• GND：接地引腳，同時也是MAX5106中REFL2和REFL3的連接點。
• OUTx：DACx的輸出引腳，輸出相應(yīng)的模擬電壓信號。

五、工作原理

5.1 DAC操作

MAX5105/MAX5106采用矩陣解碼架構(gòu)的DAC，通過矩陣排列的電阻串將外部參考電壓VREFH和VREFL之間的差值進行分壓。行和列解碼器從電阻串中選擇合適的抽頭，提供所需的模擬電壓。這種架構(gòu)不僅節(jié)省了系統(tǒng)的整體功耗，而且電阻串對參考電壓呈現(xiàn)與代碼無關(guān)的輸入阻抗，保證了輸出的單調(diào)性。

5.2 輸出緩沖放大器

所有模擬輸出都由高精度的單位增益跟隨器進行內(nèi)部緩沖，其壓擺率約為0.5V/μs，輸出能夠在GND到VDD之間擺動。當輸出從VREFL到VREFH（或VREFH到VREFL）轉(zhuǎn)換時，在負載為10kΩ與100pF并聯(lián)的情況下，放大器輸出通常在6μs內(nèi)穩(wěn)定到±1/2LSB。

軟件靜音/關(guān)斷命令可以獨立地將每個輸出驅(qū)動到各自的REFL_電壓（靜音）或高阻抗狀態(tài)（關(guān)斷）。將四個DAC都置于關(guān)斷狀態(tài)時，可將電源電流降低到最大10μA。MAX5105還提供異步MUTE輸入，可同時將所有DAC輸出驅(qū)動到各自的REFL_電壓。

5.3 內(nèi)部EEPROM

內(nèi)部EEPROM由五個非易失性寄存器組成，能夠在設(shè)備斷電后保留DAC輸出和工作狀態(tài)。其中四個寄存器存儲每個DAC的數(shù)據(jù)，另一個寄存器存儲設(shè)備的靜音和關(guān)斷狀態(tài)。

5.4 DAC寄存器

MAX5105/MAX5106擁有八個8位DAC寄存器，包括四個易失性寄存器和四個非易失性寄存器。易失性寄存器在設(shè)備啟用和供電時保留數(shù)據(jù)，斷電或關(guān)斷時數(shù)據(jù)清零；非易失性寄存器在斷電后仍能保留數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以通過DIN直接寫入易失性寄存器，也可以從非易失性寄存器加載到易失性寄存器。上電時，設(shè)備會自動使用非易失性寄存器中存儲的數(shù)據(jù)進行初始化。

5.5 靜音/關(guān)斷寄存器

有兩個8位的靜音/關(guān)斷寄存器，用于存儲每個DAC的工作狀態(tài)。其中四個最高有效位（MSBs）存儲靜音狀態(tài)，四個最低有效位（LSBs）存儲關(guān)斷狀態(tài)。易失性寄存器存儲當前的靜音/關(guān)斷狀態(tài)，非易失性寄存器在設(shè)備斷電后仍能保留數(shù)據(jù)，并且可以通過DOUT讀取。上電時，易失性寄存器會用非易失性數(shù)據(jù)進行初始化，也可以通過DIN或從非易失性寄存器加載數(shù)據(jù)。

六、串行接口與控制

6.1 串行接口

MAX5105/MAX5106通過同步、全雙工的3線接口與微處理器（μPs）進行通信，數(shù)據(jù)以MSB優(yōu)先的方式在一個14位字中傳輸。4線接口增加了RDY/BSY（MAX5105）線，用于指示非易失性存儲器的狀態(tài)。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是同時進行的。

6.2 串行輸入數(shù)據(jù)格式和控制代碼

6.3 非易失性存儲命令

非易失性存儲命令將8位DAC數(shù)據(jù)加載到選定的非易失性DAC寄存器，或?qū)AC工作狀態(tài)加載到靜音/關(guān)斷非易失性寄存器。該命令不影響當前DAC輸出或工作狀態(tài)?？刂坪偷刂肺粫r鐘輸入后，RDY/BSY（MAX5105）會變低，直到非易失性存儲操作完成。對于MAX5106，在寫入新字之前需要等待最長13ms的存儲時間。在RDY/BSY（MAX5105）返回高電平或13ms存儲時間（MAX5106）過去之前，不要向設(shè)備寫入新數(shù)據(jù)。

6.4 寄存器寫入命令

該命令直接將DAC數(shù)據(jù)加載到選定的DAC易失性寄存器，并在對應(yīng)D0的CLK上升沿更新相應(yīng)輸出。通過設(shè)置A2為高，也可以訪問靜音/關(guān)斷易失性寄存器。四個MSB（D7 - D4）中的1會使選定的DAC靜音，四個LSB（D3 - D0）中的1會禁用選定的DAC。該命令不影響非易失性存儲器中存儲的數(shù)據(jù)。

6.5 非易失性讀取命令

非易失性讀取命令使選定的非易失性寄存器中的數(shù)據(jù)可供外部設(shè)備使用。數(shù)據(jù)在A0之后的八個時鐘周期內(nèi)通過DOUT輸出，CS變高時DOUT返回高阻抗狀態(tài)。該命令對DAC輸出、工作狀態(tài)或非易失性寄存器內(nèi)容無影響。

6.6 非易失性加載命令

非易失性加載命令在A0之后的八個時鐘周期內(nèi)將選定的非易失性寄存器內(nèi)容寫入相應(yīng)的易失性寄存器，并在對應(yīng)A0的CLK上升沿更新相應(yīng)的DAC輸出或改變設(shè)備的工作狀態(tài)。該命令不影響非易失性寄存器中的數(shù)據(jù)。

6.7 靜音/關(guān)斷模式

MAX5105/MAX5106具有軟件控制的靜音和關(guān)斷模式。關(guān)斷模式將DAC輸出置于高阻抗狀態(tài)，所有DAC禁用時可將靜態(tài)電流消耗降低到最大10μA。靜音模式將選定的DAC輸出驅(qū)動到相應(yīng)的REFL_電壓，易失性DAC寄存器保留其數(shù)據(jù)，取消靜音后輸出恢復(fù)到之前的狀態(tài)。MAX5105還具有異步MUTE輸入，可使所有DAC靜音。通過在適當?shù)臄?shù)據(jù)位（D7 - D0）設(shè)置1，可以單獨禁用/靜音輸出緩沖器。當所有DAC都靜音或關(guān)斷時，非易失性存儲命令將被忽略。如果使用靜音/關(guān)斷非易失性寄存器關(guān)閉或靜音所有DAC，可以使用寄存器寫入命令更改設(shè)備的工作狀態(tài)。

七、應(yīng)用信息

7.1 DAC線性度和偏移電壓

輸出緩沖器可能存在負輸入偏移電壓，在單電源供電的情況下，由于沒有負電源，輸出會保持在地電平。在使用端點法確定線性度時，需要在校準偏移和增益誤差后，在代碼10（0Ahex）和滿量程代碼（FFhex）之間進行測量。負偏移會導致輸入代碼在零附近轉(zhuǎn)換時輸出不變，因此產(chǎn)生正輸出的最低代碼即為下端點。

7.2 外部電壓參考

MAX5105/MAX5106每個DAC都有兩個參考輸入REFH和REFL。REFH_設(shè)置滿量程電壓，REFL_設(shè)置零代碼輸出。在MAX5106中，REFL2和REFL3內(nèi)部連接到地。REFH的典型輸入阻抗為256kΩ，與代碼無關(guān)。輸出電壓可以用以下公式表示： [VOUT =left[left( VREFH{-}-VREFL{-}right) times(N / 256)right]+VREFL{-}] 其中N是DAC二進制輸入代碼的十進制值。

7.3 電源排序

REFH_和REFL_上施加的電壓在任何時候都不應(yīng)超過VDD。如果無法實現(xiàn)正確的電源排序，可以在REFH_和REFL_與VDD之間連接一個外部肖特基二極管，以確保符合絕對最大額定值。在設(shè)備完全上電之前，不要向數(shù)字輸入施加信號。

7.4 電源旁路和接地管理

GND上的數(shù)字或交流瞬態(tài)信號可能會在模擬輸出端產(chǎn)生噪聲，因此應(yīng)將GND連接到質(zhì)量最好的接地端。在VDD附近盡可能靠近設(shè)備的位置使用0.1μF電容進行旁路，REF_到GND也使用0.1μF電容進行旁路。精心設(shè)計印刷電路板的接地布局可以最小化DAC輸出和數(shù)字輸入之間的串擾。

八、總結(jié)

MAX5105/MAX5106非易失性四路8位DAC以其豐富的特性、出色的性能和靈活的控制方式，為電子工程師在數(shù)字增益和偏移調(diào)整、可編程衰減器、便攜式儀器、功率放大器偏置控制等應(yīng)用場景中提供了一個優(yōu)秀的解決方案。通過深入了解其工作原理、技術(shù)參數(shù)和應(yīng)用要點，我們可以更好地發(fā)揮這兩款產(chǎn)品的優(yōu)勢，設(shè)計出更加穩(wěn)定、高效的電子系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，你是否遇到過類似DAC的使用問題？你是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。