MAX5820：雙路8位低功耗2線串行電壓輸出DAC的解析與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）是連接數(shù)字世界與模擬世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們就來深入了解一款性能出色的DAC——MAX5820。

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一、產(chǎn)品概述

MAX5820是一款雙路8位電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具備I2C兼容的2線接口，時(shí)鐘速率最高可達(dá)400kHz。它采用單2.7V至5.5V電源供電，在(V_{DD}=3.6V)時(shí)電流消耗僅為115μA，還擁有低功耗的掉電模式，可將電流消耗降至1μA以下。此外，它具有三種軟件可選的掉電輸出阻抗（100kΩ、1kΩ和高阻抗），內(nèi)部配備精密的軌到軌輸出緩沖器和上電復(fù)位（POR）電路，上電時(shí)DAC處于100kΩ掉電模式。

二、產(chǎn)品特性

（一）低功耗特性

• 超低電源電流：在(V{DD}=3.6V)時(shí)為115μA，(V{DD}=5.5V)時(shí)為135μA，掉電模式下低至300nA，非常適合電池供電的設(shè)備。
• 單電源供電：支持2.7V至5.5V的單電源，簡化了電源設(shè)計(jì)。

（二）接口與性能

• 高速I2C接口：支持400kHz的I2C兼容2線串行接口，數(shù)據(jù)傳輸快速高效。
• Schmitt觸發(fā)輸入：允許直接與光耦合器接口，增強(qiáng)了接口的抗干擾能力。
• 軌到軌輸出緩沖放大器：輸出能夠達(dá)到電源軌，提供了更大的輸出電壓范圍。
• 三種掉電輸出阻抗：可根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇合適的掉電輸出阻抗。
• 回讀模式：方便進(jìn)行總線和數(shù)據(jù)檢查。

（三）其他特性

• 上電復(fù)位至零：確保設(shè)備上電時(shí)處于可預(yù)測的狀態(tài)。
• 8引腳μMAX封裝：體積小巧，節(jié)省電路板空間。

三、電氣特性

（一）靜態(tài)精度

• 分辨率：8位，能夠提供較為精確的模擬輸出。
• 積分非線性（INL）：典型值為±0.5 LSB，最大值為±1 LSB。
• 微分非線性（DNL）：保證單調(diào)，最大值為±0.5 LSB。
• 零碼誤差（ZCE）：在(V_{DD}=2.7V)時(shí)，典型值為6mV，最大值為40mV。
• 增益誤差（GE）：代碼為FF hex時(shí)，典型值為 -0.8% FSR，最大值為 -3% FSR。

（二）參考輸入

• 參考輸入電壓范圍：0至(V_{DD})。
• 參考輸入阻抗：典型值為90kΩ。
• 參考電流：掉電模式下典型值為0.3μA，最大值為1μA。

（三）DAC輸出

• 輸出電壓范圍：空載時(shí)為0至(V_{DD})。
• 直流輸出阻抗：代碼為80 hex時(shí)，典型值為1.2Ω。
• 短路電流：(V{DD}=5V)時(shí)為42.2mA，(V{DD}=3V)時(shí)為15.1mA。
• 喚醒時(shí)間：(V{DD}=5V)和(V{DD}=3V)時(shí)均為8μs。
• DAC輸出泄漏電流：掉電模式為高阻抗，(V_{DD}=5.5V)時(shí)，典型值為±0.1μA，最大值為±1μA。

（四）數(shù)字輸入輸出

• 數(shù)字輸入：輸入高電壓為0.7(V{DD})，輸入低電壓為0.3(V{DD})，輸入滯后為0.05(V_{DD})，輸入泄漏電流典型值為±0.1μA，輸入電容典型值為6pF。
• 數(shù)字輸出：輸出邏輯低電壓在(I_{SINK}=3mA)時(shí)最大值為0.4V，三態(tài)泄漏電流典型值為±0.1μA，三態(tài)輸出電容典型值為6pF。

（五）動(dòng)態(tài)性能

• 電壓輸出壓擺率：典型值為0.5V/μs。
• 電壓輸出建立時(shí)間：達(dá)到±0.5 LSB代碼時(shí)，典型值為4μs，最大值為12μs。
• 數(shù)字饋通：代碼為00 hex，數(shù)字輸入從0至(V_{DD})時(shí)，典型值為0.2nV - s。
• 數(shù)模毛刺脈沖：主要進(jìn)位轉(zhuǎn)換時(shí)，典型值為12nV - s。
• DAC間串?dāng)_：典型值為2.4nV - s。

（六）電源與時(shí)序

• 電源電壓范圍：2.7V至5.5V。
• 無負(fù)載時(shí)電源電流：(V{DD}=3.6V)時(shí)典型值為115μA，(V{DD}=5.5V)時(shí)典型值為135μA。
• 掉電電源電流：(V_{DD}=5.5V)時(shí)典型值為0.3μA，最大值為1μA。
• 串行時(shí)鐘頻率：最高400kHz。

四、工作原理

（一）DAC操作

MAX5820采用分段電阻串DAC架構(gòu)，不僅節(jié)省了系統(tǒng)整體功耗，還保證了輸出的單調(diào)性。其輸入編碼為直接二進(jìn)制，輸出電壓由公式(V{OUT - }=frac{V{REF } × D}{2^{N}})計(jì)算，其中(N = 8)（位），(D)為輸入代碼的十進(jìn)制值（0至255）。

（二）輸出緩沖

模擬輸出由精密的單位增益跟隨器緩沖，壓擺率為0.5V/μs，每個(gè)緩沖輸出能夠軌到軌擺動(dòng)，可驅(qū)動(dòng)5kΩ與200pF的并聯(lián)負(fù)載，并在4μs內(nèi)達(dá)到±0.5 LSB。

（三）上電復(fù)位

內(nèi)部POR電路在上電時(shí)初始化設(shè)備，將DAC寄存器設(shè)置為零刻度，設(shè)備進(jìn)入掉電狀態(tài)，輸出緩沖器禁用，輸出通過100kΩ終端電阻拉至GND。上電后，需先發(fā)出喚醒命令才能進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

（四）掉電模式

具有三種軟件控制的低功耗掉電模式，均會(huì)禁用輸出緩沖器，將DAC電阻串與參考斷開，使電源電流降至1μA，參考電流降至1μA以下。不同模式下輸出狀態(tài)不同，模式0輸出為高阻抗，模式1輸出通過1kΩ終端電阻拉至GND，模式2輸出通過100kΩ終端電阻拉至GND。喚醒時(shí)，DAC輸出恢復(fù)到之前的值，掉電期間輸入和DAC寄存器的數(shù)據(jù)會(huì)保留。

（五）數(shù)字接口

采用I2C/SMBus兼容的2線接口，由串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時(shí)鐘線（SCL）組成，在(V_{DD}=2.7V)至3.6V范圍內(nèi)兼容SMBus。SDA和SCL可實(shí)現(xiàn)MAX5820與主機(jī)之間最高400kHz的雙向通信。MAX5820是僅收發(fā)的從設(shè)備，依賴主機(jī)生成時(shí)鐘信號(hào)。主機(jī)通過發(fā)送正確的地址、命令和/或數(shù)據(jù)字與MAX5820通信，每個(gè)傳輸序列由START或REPEATED START條件和STOP條件框定，每個(gè)傳輸?shù)淖譃?位，后面跟隨一個(gè)確認(rèn)時(shí)鐘脈沖。

五、應(yīng)用信息

（一）應(yīng)用場景

• 數(shù)字增益和偏移調(diào)整：可精確調(diào)整信號(hào)的增益和偏移。
• 可編程電壓和電流源：方便實(shí)現(xiàn)不同電壓和電流的輸出。
• 可編程衰減：用于信號(hào)的衰減控制。
• VCO/變?nèi)?a target="_blank">二極管控制：對(duì)VCO和變?nèi)荻O管進(jìn)行精確控制。
• 低成本儀器儀表：適用于對(duì)成本敏感的儀器設(shè)計(jì)。
• 電池供電儀器：低功耗特性使其非常適合電池供電的設(shè)備。

（二）設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

• 數(shù)字輸入和接口邏輯：2線數(shù)字接口I2C/SMBus兼容，數(shù)字輸入采用Schmitt觸發(fā)緩沖輸入，可直接與光耦合器等慢過渡接口連接，且與CMOS邏輯電平兼容。
• 電源旁路和接地管理：合理的PCB布局對(duì)系統(tǒng)性能至關(guān)重要，應(yīng)將模擬和數(shù)字信號(hào)分開，減少噪聲注入和數(shù)字饋通。使用接地平面確保接地回路短且阻抗低，在靠近設(shè)備處使用0.1μF電容對(duì)(V_{DD})進(jìn)行旁路。

六、總結(jié)

MAX5820以其低功耗、高性能和豐富的特性，為電子工程師在設(shè)計(jì)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路時(shí)提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。無論是在電池供電設(shè)備還是對(duì)性能要求較高的儀器儀表中，都能發(fā)揮出色的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求，合理選擇其工作模式和參數(shù)，同時(shí)注意PCB布局等設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。大家在使用MAX5820的過程中，有沒有遇到過什么有趣的問題或者獨(dú)特的應(yīng)用呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。