深度剖析DAC101C081：10位微功耗数模转换器的卓越之选

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，我们将深入探讨德州仪器（TI）的DAC101C08xx系列10位微功耗数模转换器，包括DAC101C081、DAC101C081Q和DAC101C085，详细解析它们的特性、应用、技术参数以及设计要点。

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一、产品概述

DAC101C081是一款10位、单通道、电压输出的数模转换器，工作电压范围为2.7V至5.5V。其输出放大器支持轨到轨输出摆幅，具有6µs的建立时间。该器件以电源电压作为参考，提供了最宽的动态输出范围，在5.0V工作时典型功耗仅为132µA。DAC101C081有6引脚SOT和WSON封装可供选择，并提供三种地址选项（引脚可选）。

DAC101C081Q是符合AEC Q100 Grade 1标准的汽车级产品，采用汽车级工艺流程制造。而DAC101C085则提供九种 (I^{2} C^{TM}) 寻址选项，并使用外部参考，性能和建立时间与DAC101C081相同，采用8引脚VSSOP封装。

二、产品特性

2.1 高性能指标

• 分辨率：10位分辨率确保了较高的转换精度。
• 单调性：保证10位的单调性，输出电压随输入代码单调变化。
• 线性度：积分非线性（INL）最大为±2 LSB，差分非线性（DNL）最大为+0.3/-0.2 LSB。
• 建立时间：输出电压建立时间最大为6µs，能够快速响应输入代码的变化。

2.2 低功耗设计

• 在3.3V时最大功耗为156µA，正常工作时功耗低，适合电池供电设备。
• 具有三种电源关断模式，关断时功耗极低，3V时典型电流为0.13µA，5V时为0.15µA。

2.3 宽电源范围

支持2.7V至5.5V的电源电压范围，增强了产品的适应性和灵活性。

2.4 (I^{2} C) 接口兼容性

采用2线 (I^{2} C) 兼容串行接口，支持标准（100kHz）、快速（400kHz）和高速（3.4MHz）模式，方便与各种微控制器和数字系统进行通信。

2.5 小封装尺寸

提供多种小型封装选项，如SOT、WSON和VSSOP，节省电路板空间，适用于紧凑型设计。

三、应用领域

3.1 工业过程控制

在工业自动化系统中，用于精确控制模拟信号，如调节电机速度、控制阀门开度等。

3.2 便携式仪器

由于其低功耗和小封装特性，非常适合用于便携式医疗设备、测试仪器等，延长电池续航时间。

3.3 数字增益和偏移调整

可用于调整信号的增益和偏移，提高系统的精度和稳定性。

3.4 可编程电压和电流源

为电路提供可编程的电压和电流输出，满足不同的应用需求。

3.5 汽车电子

DAC101C081Q符合汽车级标准，可应用于汽车电子系统，如发动机控制、车载娱乐系统等。

四、技术参数详解

4.1 绝对最大额定值

• 电源电压：-0.3V至6.5V
• 输入引脚电压：-0.3V至6.5V
• 输入电流：任何引脚最大±10mA，封装输入电流最大±20mA
• 工作结温：最高150°C
• 存储温度：-65°C至150°C

4.2 ESD评级

不同封装的DAC在人体模型（HBM）、带电设备模型（CDM）和机器模型（MM）下具有不同的ESD耐压值，一般在±250V至±5000V之间。

4.3 推荐工作条件

• 工作温度范围：-40°C至125°C
• 电源电压：2.7V至5.5V
• 参考电压：1V至 (V_{A})
• 数字输入电压：0V至5.5V
• 输出负载：最大1500pF

4.4 电气特性

涵盖静态性能、模拟输出特性、参考输入特性、逻辑输入输出特性以及电源要求等多个方面。例如，静态性能中的分辨率为10位，积分非线性（INL）最大为±2 LSB，差分非线性（DNL）最大为+0.3/-0.2 LSB；模拟输出特性中，输出电压范围为0V至 (V{A}) （DAC101C081）或0V至 (V{REF}) （DAC101C085）。

4.5 AC和时序特性

• 输出电压建立时间：最大6µs
• 输出压摆率：1V/µs
• 毛刺脉冲：代码从200h到1FFh变化时为12nV - sec
• 数字馈通：0.5nV - sec
• 乘法带宽：160kHz
• 总谐波失真：70dB

五、详细工作原理

5.1 DAC部分

DAC101C08xx采用CMOS工艺制造，其核心由开关和电阻串组成，后面跟随一个输出缓冲器。电阻串由1024个等值电阻组成，每个电阻节点都有一个开关，通过加载到DAC寄存器的代码来控制开关的闭合，从而选择合适的节点连接到放大器。理想输出电压计算公式为 (V{OUT }=V{REF } times(D / 1024)) ，其中D为加载到DAC寄存器的二进制代码的十进制等效值，范围为0至1023。

5.2 输出放大器

输出放大器为轨到轨放大器，当参考电压为 (V{A}) 时，输出电压范围为0V至 (V{A}) 。虽然轨到轨放大器在接近电源轨时会出现线性度损失，但在一定范围内仍能保证良好的线性度。该放大器能够驱动2kΩ并联1500pF的负载到地或 (V_{A}) 。

5.3 参考电压

DAC101C081以电源 (V{A}) 作为参考，因此需要将 (V{A}) 视为参考电压，建议使用低输出阻抗的电压源驱动。DAC101C085则使用外部参考电源引脚 (V{REF}) ，应确保 (V{REF}) 尽可能干净。

5.4 上电复位

上电复位电路在电源上电时控制DAC的输出电压，使DAC寄存器初始化为零，输出电压为0V，直到对DAC进行有效的写操作。

5.5 同步复位

通过广播地址， (I^{2} C) 主设备可以同时向多个DAC写入单个字，实现多个DAC的同步复位或更新。

5.6 额外时序信息 (t_{outz})

(t{outz}) 是为了辅助 (I^{2} C) 总线设计而提供的参数。当 (I^{2} C) 主设备将SCL总线拉低后，DAC101C081会在短时间内保持SDA总线，这个时间即为 (t{outz}) 。在标准 - 快速模式下， (t_{outz}) 典型值为87nsec；在高速模式下，典型值为38nsec。

六、编程与通信

6.1 串行接口

采用 (I^{2} C) 兼容接口，支持标准（100kHz）、快速（400kHz）和高速（3.4MHz）模式。SCL和SDA总线需要外部上拉电阻或电流源，将总线拉高。逻辑0通过将输出拉低传输，逻辑1通过释放输出并允许外部上拉传输。

6.2 基本 (I^{2} C) 协议

(I^{2} C) 接口是双向的，允许多个设备在同一总线上工作。每个设备有一个唯一的硬件地址，即“从地址”。主设备通过发送从地址并监听从设备的响应（ACK或NACK）来与特定设备进行通信。数据传输时，主设备写数据时，从设备在每个数据字节成功接收后发送ACK；主设备读数据时，主设备在每个数据字节接收后发送ACK或NACK来控制数据传输。

6.3 不同模式下的通信流程

• 标准 - 快速模式：主设备通过在SCL为高时将SDA从高拉低产生起始条件，然后发送7位从地址和读写位。如果地址匹配，从设备发送ACK，主设备继续发送数据；否则，从设备发送NACK。
• 高速模式：总线最初在标准 - 快速模式下运行，主设备发送8位高速主代码（00001XXX），从设备响应NACK。然后主设备提高总线速度并产生重复起始条件，切换到高速模式，继续发送从地址进行通信。

6.4 (I^{2} C) 从地址配置

DAC具有7位 (I^{2} C) 从地址，通过ADR0和ADR1地址选择输入进行配置。ADR0和ADR1可以接地、浮空或连接到 (V{A}) ，也可以设置为 (V{A} / 2) 。此外，还有一个广播地址（1001000），所有DAC101C081和DAC101C085在总线上被广播地址寻址时会同步响应和更新。

6.5 读写操作

• 写操作：主设备发送正确的从地址和写位，从设备响应ACK后，主设备依次发送上8位和下8位数据，从设备在每个数据字节接收后发送ACK，最后DAC输出更新。
• 读操作：主设备发送正确的从地址和读位，从设备响应ACK后，依次发送上8位和下8位数据，主设备在接收每个数据字节后发送ACK，最后主设备发送NACK并产生停止条件结束通信。

七、应用设计案例

7.1 双极性操作

DAC101C081原本为单电源设计，输出为单极性。但通过外部电路可以实现双极性输出，例如使用一个由电阻和放大器组成的电路，可提供±5V的输出电压范围。输出电压计算公式为 (V{O}=left(V{A} times(D / 1024) times((R 1+R 2) / R 1)-V_{A} × R 2 / R 1right)) ，其中D为输入代码的十进制形式。

7.2 DSP/微处理器接口

• 2线总线接口：微控制器通过2线总线与DAC101C081连接，需要选择合适的上拉电阻（Rp）来确保总线的上升时间和限制电流。在标准 - 快速模式下，典型的上拉电阻值为2kΩ至10kΩ。SCL和SDA总线靠近DAC101C081的串联电阻（ (R_{S}) ）可选，用于过滤总线上的高压尖峰。
• 高速模式总线接口：与标准 - 快速模式类似，但需要满足更严格的时序要求。主设备可以直接驱动SCL总线，或者减小上拉电阻值或增加上拉电流来加快总线的上升时间。

7.3 压力传感器增益调整

在一个仅使用正电源的数据采集系统中，DAC101C081可用于校正压力传感器输出的增益误差。系统通过调整桥接压力传感器的偏置电压来实现增益校正，压力传感器输出与DAC输出以及电阻桥的不平衡有关，ADC输出则是压力传感器输出的函数。

八、电源供应建议

由于DAC101C08xx从参考输入到输出的电源抑制比（PSRR）几乎为零，因此需要提供无噪声的电源电压。可以使用参考源作为电源，如LM4132、LM4050等，也可以使用一些低噪声稳压器，如LP3985、LP2980等。同时，需要对 (V{A}) 和 (V{REF}) 进行良好的旁路处理，以确保精度。

九、布局设计要点

为了获得最佳的精度和最小的噪声，PCB设计需要将模拟和数字区域分开，采用单独的模拟和数字电源平面，并使用单个接地平面。如果数字回流电流不流经模拟接地区域，建议使用单个接地平面，并采用围栏技术防止模拟和数字接地电流混合。在必要时，可以使用分开的接地平面，但必须在一处连接，最好靠近DAC101C081。

此外，DAC101C081的电源需要使用4.7µF和0.1µF的电容进行旁路，尽可能靠近设备，其中0.1µF电容应直接连接到设备的电源引脚。应避免模拟和数字信号交叉，将时钟和数据线布置在电路板的元件侧，并控制其阻抗。

十、总结

DAC101C08xx系列10位微功耗数模转换器以其高性能、低功耗、小封装和丰富的接口功能，在工业控制、便携式仪器、汽车电子等多个领域具有广泛的应用前景。电子工程师在设计过程中，需要深入理解其工作原理、技术参数和应用要点，合理选择电源、进行布局设计，以充分发挥该系列DAC的优势，实现高质量的电子系统设计。

你在使用DAC101C08xx进行设计时遇到过哪些问题？或者你对该系列DAC的应用有什么独特的见解？欢迎在评论区分享交流！