DAC108S085：高性能10位八通道数模转换器的深度解析

在电子工程师的日常工作中，数模转换器（DAC）是一个至关重要的组件，它能将数字信号转换为模拟信号，广泛应用于各种电子设备中。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）推出的一款优秀的数模转换器——DAC108S085。

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一、产品概述

DAC108S085是一款功能齐全的通用八通道10位电压输出数模转换器。它的供电范围非常宽，从+2.7V到+5.5V都能正常工作，在3V供电时功耗为1.95mW，5V供电时功耗为4.85mW，非常适合电池供电的设备。它有16引脚的WQFN和16引脚的TSSOP两种封装形式，其中WQFN封装使它成为同类产品中体积最小的八通道DAC。

二、特性亮点

2.1 确保单调性

这意味着当输入代码增加时，DAC的输出永远不会减小，保证了输出的稳定性和可靠性。在很多对信号稳定性要求较高的应用中，这个特性非常关键。

2.2 低功耗运行

低功耗是现代电子设备追求的重要指标之一。DAC108S085在正常工作时功耗较低，在掉电模式下功耗更低，3V供电时掉电功耗为0.3µW，5V供电时为1µW，大大延长了电池供电设备的续航时间。

2.3 轨到轨电压输出

输出放大器支持轨到轨输出摆幅，输出电压范围能达到0V到(V_{A})，提供了更宽的输出动态范围，能满足更多应用场景的需求。

2.4 菊花链功能

允许使用单个串行接口与任意数量的DAC108S085进行通信，方便了系统的扩展和集成。在需要多个DAC协同工作的大型系统中，这个功能可以大大简化设计。

2.5 上电复位到0V

上电复位电路能确保DAC输出在上电时为零伏，直到有有效写入操作，增加了系统的安全性和稳定性。

2.6 同时输出更新

可以同时更新所有八个DAC输出，提高了系统的响应速度和同步性。

2.7 独立通道掉电功能

每个DAC通道都可以独立掉电，并且有三种不同的终端选项可供选择，进一步降低了功耗。

2.8 宽电源范围和双参考电压

电源范围从+2.7V到+5.5V，双参考电压范围为0.5V到(V_{A})，增加了设计的灵活性。

2.9 宽工作温度范围

工作温度范围为 -40°C到+125°C，能适应各种恶劣的工作环境。

三、关键规格

• 分辨率：10位，能提供较高的转换精度。
• INL：±2 LSB（最大），表示积分非线性误差，反映了实际输出与理想直线的偏差程度，该值越小，精度越高。
• DNL：+0.35/-0.2 LSB（最大），即微分非线性误差，描述了相邻代码之间的步长偏差。
• 建立时间：6µs（最大），指输入代码更新后，输出达到最终值的±1/2 LSB所需的时间，建立时间越短，DAC的响应速度越快。
• 零代码误差：+15mV（最大），是输入代码为000h时的输出误差。
• 满量程误差：-0.75% FSR（最大），表示满量程代码输入时的输出误差。

四、功能描述

4.1 DAC架构

DAC108S085采用CMOS工艺制造，由开关和电阻串组成，后面跟着输出缓冲器。参考电压通过(V{REF1})和(V{REF2})外部施加，分别为通道A - D和通道E - H提供参考。输入编码为直二进制，理想输出电压由公式(V{OUTA,B,C,D }=V{REF 1} \times(D / 1024))和(V{OUTE,F,G,H }=V{REF 2} \times(D / 1024))计算得出，其中D是输入代码的十进制等效值。

4.2 输出放大器

输出放大器为轨到轨类型，能提供0V到(V{A})的输出电压范围。不过，当输出接近电源轨时，线性度会有所损失。它能够驱动2kΩ与1500pF并联的负载到地或(V{A})。

4.3 参考电压

使用双外部参考(V{REF1})和(V{REF2})，参考引脚无缓冲，输入阻抗为30kΩ。建议使用低输出阻抗的电压源驱动参考引脚，参考电压范围为0.5V到(V_{A})。

4.4 串行接口

采用三线接口，与SPI™、QSPI和MICROWIRE以及大多数DSP兼容，时钟速率最高可达40MHz。一个有效的串行帧包含16个SCLK下降沿，写序列从SYNC线拉低开始，数据在SCLK下降沿时钟进入16位串行输入寄存器，最后SYNC线拉高完成写操作。

4.5 菊花链操作

允许使用单个串行接口与多个DAC108S085通信。SCLK和SYNC在所有DAC108S085之间共享，前一个DAC的Dout连接到后一个DAC的DIN。在写序列中，需要相应数量的SCLK下降沿来将数据加载到所有DAC中，最后SYNC上升沿执行编程功能。

4.6 串行输入寄存器

有写寄存器模式（WRM）和写直通模式（WTM）两种操作模式，以及三种特殊命令操作。WRM模式下，写入DAC寄存器不会更新输出；WTM模式下，写入寄存器会同时更新输出。特殊命令操作可以在任何模式下执行，包括同时更新多个DAC输出、单独更新通道A输出和广播模式。

4.7 上电复位

上电复位电路在上电时将DAC寄存器清零，输出电压设置为0V，直到有有效写序列。

4.8 掉电模式

有三种掉电模式，可选择不同的输出终端。掉电时，输出放大器、电阻串和其他线性电路关闭，偏置发生器仅在所有通道都掉电时关闭。DAC寄存器内容不受影响，掉电模式下功耗最低，唤醒时间通常为3µs（3V）和20µs（5V）。

五、应用场景

5.1 电池供电仪器

低功耗和宽电源范围使它非常适合电池供电的仪器，如便携式测量设备、手持医疗设备等。

5.2 数字增益和偏移调整

可以精确调整数字信号的增益和偏移，提高系统的性能和精度。

5.3 可编程电压和电流源

能够提供可编程的电压和电流输出，满足不同应用对电源的需求。

5.4 可编程衰减器

可用于对信号进行数字衰减，且不会引入明显的噪声。

5.5 ADC的电压参考

为模数转换器（ADC）提供稳定的参考电压，提高ADC的转换精度。

5.6 传感器电源电压

为传感器提供可调的电源电压，优化传感器的输出。

5.7 范围检测器

用于设置范围检测器的上下限。

六、编程与应用电路

6.1 编程示例

• 同时更新DAC输出：在WRM模式下，可以先分别编程多个DAC通道的寄存器，然后使用特殊命令同时更新所有通道的输出。
• 独立更新DAC输出：将模式切换到WTM，任何DAC通道都可以在一步内更新。通道A有特殊命令，无论在何种模式下都可以在一个命令中更新其输出。

  6.2 参考电源选择

  可以使用参考源作为参考输入和/或电源电压，如LM4132、LM4050、LP3985和LP2980等，这些器件各有优缺点，可根据具体应用需求选择。

  6.3 双极性操作

  通过外部电路可以实现双极性输出，输出电压范围可达±5V，需要使用轨到轨放大器。

  6.4 可变电流源输出

  通过添加运算放大器，可以将DAC108S085转换为可变电流源，能够提供高达40mA的电流输出。

  6.5 应用电路示例

  包括工业应用、ADC参考、可编程衰减器等，这些电路展示了DAC108S085在不同场景下的具体应用。

七、布局、接地和旁路

为了获得最佳的精度和最小的噪声，PCB设计应将模拟和数字区域分开，使用单独的模拟和数字电源平面，最好使用单个接地平面。电源应使用至少1µF和0.1µF的电容进行旁路，避免模拟和数字信号交叉。

八、总结

DAC108S085是一款性能卓越、功能丰富的数模转换器，具有低功耗、宽电源范围、高分辨率等优点，适用于多种应用场景。在实际设计中，我们需要根据具体需求合理选择工作模式、参考电源和应用电路，同时注意布局、接地和旁路等问题，以充分发挥其性能。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区交流分享。