DAC8560：16位超低毛刺电压输出数模转换器的深度剖析

在电子设计领域，数模转换器（DAC）是连接数字世界和模拟世界的关键桥梁。今天，我们将深入探讨TI公司的DAC8560，这是一款16位、超低毛刺、电压输出的数模转换器，具有诸多出色的特性，适用于多种应用场景。

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一、DAC8560特性亮点

高精度与低毛刺

DAC8560的相对精度可达4 LSB，能提供出色的线性度，同时将不期望的代码间瞬态电压（毛刺）降至最低，其毛刺能量仅为0.15 nV - s。这使得它在对精度和稳定性要求较高的应用中表现卓越。

低功耗设计

该器件采用微功耗设计，在2.7 V电压下电流仅为510 μA。内部参考默认启用，在5 V电压下功耗为2.6 mW，进入掉电模式后功耗可降至6 μW，非常适合便携式、电池供电设备。

高性能内部参考

DAC8560集成了2.5 V、2 ppm/°C的内部参考，初始精度为0.02%，可在$V_{REF}$引脚提供高达20 mA的电流。其温度漂移典型值为2 ppm/°C，最大值为5 ppm/°C，在不同温度环境下能保持稳定的性能。

多功能接口与复位功能

它采用灵活的3线串行接口，时钟速率最高可达30 MHz，兼容标准SPI、QSPI、Microwire和数字信号处理器（DSP）接口。同时，器件具备上电复位（POR）功能，确保DAC输出在上电时为零刻度，并保持该状态直到写入有效代码。

二、引脚配置与功能解析

PIN NO.	NAME	I/O	DESCRIPTION
1	VDD	PWR	电源输入，范围为2.7 V至5.5 V
2	VREF	V/O	参考电压输入/输出
3	VFB	-	输出放大器的反馈连接，用于电压输出操作时，需外部连接到$V_{OUT}$
4	$V_{OUT}$	O	DAC的模拟输出电压，输出放大器具备轨到轨操作能力
5	SYNC	-	电平触发控制输入（低电平有效），作为输入数据的帧同步信号
6	SCLK	-	串行时钟输入
7	DIN	-	串行数据输入
8	GND	GND	器件所有电路的接地参考点

三、性能参数详解

绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于确保其安全可靠运行至关重要。DAC8560的电源电压、数字输入电压、输出电压等都有明确的限制范围，超出这些范围可能会对器件造成永久性损坏。

ESD 评级

该器件的人体模型（HBM）静电放电评级为 +4000 V，带电设备模型（CDM）为 ±1500 V，在一定程度上能抵御静电干扰，但在使用过程中仍需注意静电防护。

推荐工作条件

在推荐的工作条件下，DAC8560能发挥最佳性能。其电源电压范围为2.7 V至5.5 V，工作温度范围为 - 40°C至 +105°C。

电气特性

从静态性能来看，分辨率为16位，相对精度、微分非线性、零码误差等指标都有明确的规定。输出特性方面，输出电压范围为0至$V_{REF}$，输出电压建立时间在不同负载条件下有所不同，电容负载稳定性也有相应的要求。交流性能方面，信噪比（SNR）可达88 dB，总谐波失真（THD）在特定条件下为 - 77 dB。

四、典型特性分析

内部参考特性

内部参考的电压随温度变化的曲线展示了其在不同温度下的稳定性。温度漂移、噪声性能、负载调节等特性都对DAC的整体性能有重要影响。例如，通过合理选择外部负载电容可以改善参考的噪声性能。

DAC在不同电源电压下的特性

在$V_{DD}$分别为5 V、3.6 V和2.7 V时，DAC的线性误差、零刻度误差、满刻度误差、电源电流等特性会有所不同。这些特性曲线为工程师在不同应用场景下选择合适的电源电压提供了参考。

五、详细工作原理

架构组成

DAC8560采用电阻串DAC后接输出缓冲放大器的架构。输入编码为直二进制，理想输出电压由$V{OUT}=\frac{D{IN}}{65536}×V{REF}$计算得出，其中$D{IN}$为加载到DAC寄存器的二进制代码的十进制等效值。

输出放大器

输出缓冲放大器能够产生轨到轨的输出电压，输出范围为0 V至$V{DD}$，可驱动2 kΩ与1000 pF并联的负载。通过将$V{FB}$引脚与放大器输出直接连接到负载，可以提高关键应用中的精度。

内部参考

内部参考基于双极晶体管的精密带隙电压参考，具有极低的压降电压和出色的稳定性。通过特定的串行命令可以启用或禁用内部参考，在禁用内部参考时，DAC可使用外部参考正常工作。

六、应用与实现

应用场景

由于其低功耗和高性能的特点，DAC8560非常适合电池供电和便携式应用，如示波器和类似的测试测量设备。同时，它也可用于需要双极性输出范围的应用，用于偏移和增益校准。

典型应用电路

通过合理设计外部电路，可以实现不同的输出电压范围。例如，使用外部参考和电阻网络可以实现 ±5 V的输出电压范围，使用内部参考可以实现 ±2.5 V的输出电压范围。对于输出电压范围大于 ±$V_{REF}$的情况，可以采用特定的电路设计，通过选择合适的电阻和放大器来实现。

设计要点

在设计过程中，需要考虑多个因素。对于无源组件的选择，要根据所需的输出电压范围计算电阻值，并选择合适的电容来确保电路的稳定性。放大器的选择要考虑输入偏移电压、温度漂移、共模抑制比（CMRR）和电源抑制比（PSRR）等参数。在微处理器接口方面，要根据不同的微处理器类型进行相应的接口配置。

七、电源与布局建议

电源建议

为了确保DAC8560的性能，电源必须经过良好的调节且噪声较低。建议使用1 μF至10 μF的电容和0.1 μF的旁路电容来进一步降低电源噪声。

布局指南

精密模拟组件需要精心的布局。DAC8560通常与数字逻辑、微控制器等紧密配合使用，因此要注意避免数字噪声对模拟输出的影响。建议将GND直接连接到模拟接地平面，$V_{DD}$连接到独立的电源平面或走线，直到在电源入口点连接。同时，要合理使用旁路电容和滤波器来去除高频噪声。

八、总结与思考

DAC8560以其高精度、低功耗、高性能内部参考和灵活的接口等特性，为电子工程师在设计数模转换电路时提供了一个优秀的选择。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和场景，合理选择器件的工作模式、外部组件和布局方式，以充分发挥其性能优势。同时，我们也应该思考如何进一步优化电路设计，提高系统的稳定性和可靠性，在不断变化的电子技术领域中，探索更多的可能性。

你在使用DAC8560或者类似的数模转换器时，遇到过哪些挑战和问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。