探索DAC124S085：12位微功耗四路数模转换器的卓越性能与应用潜力

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，它在将数字信号转换为模拟信号的过程中发挥着关键作用。今天，我们将深入探讨TI公司的DAC124S085，这是一款功能强大的12位微功耗四路数模转换器，具有众多令人瞩目的特性和广泛的应用前景。

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一、DAC124S085概述

DAC124S085是一款全功能、通用的四路12位电压输出数模转换器。它可以在2.7V至5.5V的单电源下工作，在3V时功耗仅为1.1mW，在5V时为2.4mW，展现出了出色的低功耗特性。该器件采用10引脚的WSON和VSSOP封装，其中10引脚的SON封装使其成为同类产品中最小的四路DAC，非常适合对空间要求较高的应用场景。

二、关键特性剖析

2.1 输出性能

• 轨到轨输出：片上输出放大器支持轨到轨输出摆幅，当参考电压为$V{A}$时，输出电压范围可达0V至$V{A}$。不过，所有放大器在输出接近电源轨时都会出现线性度损失，因此线性度通常在小于DAC的完整输出范围内进行指定。如果参考电压小于$V_{A}$，则仅在最低代码处会出现线性度损失。
• 驱动能力：输出放大器能够驱动2kΩ与1500pF并联到地或$V_{A}$的负载，在给定负载电流下的零代码和满量程输出可在电气特性部分找到详细信息。

2.2 接口性能

• 高速串行接口：三线串行接口在整个电源电压范围内的时钟速率最高可达40MHz，而竞争产品在2.7V至3.6V的电源电压范围内时钟速率限制在25MHz。该串行接口与标准SPI、QSPI、MICROWIRE和DSP接口兼容，方便与各种微处理器和DSP进行连接。

2.3 精度与稳定性

• 分辨率与线性度：分辨率为12位，积分非线性（INL）最大为±8 LSB，差分非线性（DNL）在-0.5至0.7 LSB之间，确保了较高的转换精度。
• 误差指标：零代码误差最大为15mV，满量程误差最大为-0.75% FS，增益误差在不同条件下也有明确的指标，保证了输出的准确性和稳定性。

2.4 电源与功耗

• 宽电源范围：支持2.7V至5.5V的宽电源范围，为不同的应用场景提供了更多的选择。
• 低功耗模式：具有电源关断模式，在关断模式下，3V时电源电流降至20µA，5V时降至30µA，有效降低了功耗。

三、引脚配置与功能

DAC124S085的引脚配置清晰，每个引脚都有明确的功能。例如，VA为电源输入引脚，必须与地进行去耦；VREFIN为未缓冲的参考电压输入引脚，所有通道共享该参考电压，同样需要与地去耦；DIN为串行数据输入引脚，数据在SCLK的下降沿被时钟输入到16位移位寄存器中。详细的引脚功能表如下：

PIN NO.	NAME	TYPE(1)	DESCRIPTION
1	VA	S	电源输入。必须与GND去耦。
2	VoUTA	O	通道A模拟输出电压。
3	VoUTB	O	通道B模拟输出电压。
4	VoUTC	O	通道C模拟输出电压。
5	VoUTD	O	通道D模拟输出电压。
6	GND	G	所有片上电路的接地参考。
7	VREFIN	I	所有通道共享的未缓冲参考电压。必须与GND去耦。
8	DIN	I	串行数据输入。数据在SCLK下降沿时钟输入到16位移位寄存器。
9	SYNC	I	数据输入的帧同步输入。该引脚变低时，使能输入移位寄存器，数据在SCLK下降沿传输。
10	SCLK	I	串行时钟输入。数据在该引脚下降沿时钟输入到输入移位寄存器。
11	PAD (WSON only)	G	外露裸片连接焊盘可接地或浮空。焊接到PCB可提供最佳热性能并增强回流期间的封装自对准。

四、电气特性详解

4.1 静态性能

• 分辨率与单调性：在-40°C至105°C的温度范围内，分辨率和单调性均为12位，保证了输出的单调变化。
• 线性度指标：INL和DNL在不同温度和电源电压条件下有具体的指标，如在TA = 25°C时，INL最大为±2.4 LSB，DNL在不同电源电压下也有相应的范围。

4.2 输出特性

• 输出电压范围：输出电压范围为0V至$V_{REFIN}$，具体输出能力与负载电流和电源电压有关。
• 输出电流与负载电容：连续输出电流每个DAC输出最大为11mA，最大负载电容在不同负载电阻条件下有明确的限制，确保了输出的稳定性。

4.3 参考输入特性

• 输入范围与阻抗：参考输入电压范围为1V至$V_{A}$，输入阻抗为30kΩ，建议使用低输出阻抗的电压源驱动该引脚。

4.4 逻辑输入特性

• 输入电流与电压：输入电流最大为±1µA，输入低电压和高电压在不同电源电压和温度条件下有具体的指标，确保了逻辑输入的可靠性。

4.5 电源要求

• 电源电压与电流：电源电压范围为2.7V至5.5V，正常电源电流在不同电源电压和时钟频率下有相应的数值，电源关断模式下的功耗极低。

五、编程与接口

5.1 串行接口

• 工作原理：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。写序列从SYNC线变低开始，数据在SCLK的下降沿被时钟输入到16位串行输入寄存器中。在第16个下降时钟沿，编程功能被执行，之后SYNC线可以保持低电平或变高。任何在第16个下降时钟沿之后的数据和时钟脉冲都将被忽略。
• 功耗优化：由于SYNC和DIN缓冲器在高电平时会消耗更多电流，因此在写序列之间应将它们置为低电平以最小化功耗。

5.2 输入移位寄存器

输入移位寄存器有16位，前两位为地址位，用于确定寄存器数据是针对哪个DAC通道；接下来的两位确定操作模式；最后12位为数据位。数据格式为直二进制（MSB先，LSB后），所有0对应0V输出，所有1对应满量程输出$V_{REFIN }-1 LSB$。

5.3 与微处理器和DSP的接口

• ADSP - 2101或ADSP2103：DSP需设置为SPORT传输交替帧模式，通过SPORT控制寄存器进行编程，并配置为内部时钟操作、低电平有效帧和16位字长。
• 80C51或80L51：SYNC信号来自微控制器的可编程引脚，由于该微控制器以8位字节传输数据，因此需要分两次传输16位数据。
• 68HC11：需将CPOL位配置为0，CPHA位配置为1，使MOSI输出的数据在SCLK下降沿有效。同样，数据分两次传输。

六、应用与实现

6.1 典型应用 - 双极性操作

DAC124S085设计用于单电源操作，输出为单极性。但通过特定电路可以实现双极性输出，如提供±5V的输出电压范围。在该应用中，需要使用双电源为输出放大器供电，并选择合适的轨到轨放大器。具体的输出电压可通过公式$V{O}=\left(V{A} \times(D / 4096) \times((R 1+R 2) / R 1)-V_{A} × R 2 / R 1\right.$计算，其中D为十进制输入代码。

6.2 电源供应建议

• 参考源选择：可以使用参考源作为参考输入或电源电压，如LM4132具有0.05%的温度精度，4.096V版本适用于0V至4.095V输出范围的应用；LM4050分流参考精度为0.44%，有4.096V和5V版本可供选择；LP3985是低噪声、超低压差电压调节器，适用于对参考精度要求不高的应用；LP2980是超低压差调节器，不同等级具有0.5%或1.0%的温度精度。
• 电阻选择：在使用LM4050时，需要根据输入电压、LM4050输出电压和DAC124S085电流等因素选择合适的电阻值，以确保LM4050的电流在额定范围内。

七、布局注意事项

为了获得最佳的精度和最小的噪声，在印刷电路板布局时需要注意以下几点：

• 分区设计：将模拟和数字区域分开，通过模拟和数字电源平面的位置进行定义，两个平面应放置在同一板层，并使用单个接地平面。如果数字返回电流不流经模拟接地区域，建议使用单个接地平面；如果有必要，可以使用围栏技术防止模拟和数字接地电流混合；只有在围栏技术不适用时才使用单独的接地平面，且两个接地平面应在一处连接，最好靠近DAC124S085。
• 电源旁路：DAC124S085的电源必须使用10µF和0.1µF的电容进行旁路，0.1µF电容应尽可能靠近器件的电源引脚，10µF电容应为钽电容，0.1µF电容应为低ESL、低ESR类型。
• 信号布线：避免模拟和数字信号交叉，将时钟和数据线放在电路板的元件侧，并确保它们具有受控的阻抗。

八、总结与思考

DAC124S085以其低功耗、小封装、高速接口和高转换精度等特性，在电池供电设备、数字增益和偏移调整、可编程电压和电流源等应用中具有广阔的应用前景。在实际设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择电源供应、优化布局设计，并注意与微处理器和DSP的接口配置，以充分发挥该器件的性能优势。同时，对于其电气特性和编程要求，需要深入理解和掌握，以确保设计的稳定性和可靠性。大家在使用DAC124S085的过程中，是否遇到过一些特殊的问题或者有一些独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。