DAC7821：12位并行输入乘法数模转换器的技术剖析与应用指南

在电子设计领域，数模转换器（DAC）扮演着至关重要的角色，它能够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，我们要深入探讨的是德州仪器（Texas Instruments）的DAC7821，一款12位并行输入乘法数模转换器，它具有众多出色的特性和广泛的应用场景。

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一、DAC7821的特性亮点

1. 电源与接口性能

• 宽电源范围：DAC7821可在2.5V至5.5V的单电源下稳定工作，这使得它非常适合用于电池供电的设备，为便携式仪器的设计提供了便利。
• 快速并行接口：拥有17ns的快速写周期和20.4MSPS的更新速率，能够快速处理数据，满足高速数据转换的需求。

2. 带宽与精度

• 高带宽：具备10MHz的乘法带宽，可处理高频信号，适用于对信号带宽要求较高的应用。
• 高精度：12位的分辨率和±1LSB的积分非线性（INL），确保了输出信号的高精度和线性度，实现了准确的数模转换。

3. 其他特性

• 低毛刺能量：仅5nV - s的低毛刺能量，减少了信号转换过程中的干扰，提高了输出信号的质量。
• 宽温度范围：工作温度范围为 - 40°C至 + 125°C，能够在恶劣的环境条件下稳定工作。
• 多种功能：支持4象限乘法、上电复位和掉电检测读回功能，并且采用了行业标准的引脚配置，方便与其他设备进行集成。

二、应用领域广泛

DAC7821的出色性能使其在多个领域都有广泛的应用：

• 便携式电池供电仪器：由于其低功耗和宽电源范围，非常适合用于便携式仪器，如手持示波器、便携式传感器等。
• 波形发生器：可以生成各种复杂的波形，如正弦波、方波、三角波等，为信号处理和测试提供了便利。
• 模拟处理：在模拟信号处理中，DAC7821可用于可编程放大器和衰减器、数字控制校准、可编程滤波器和振荡器等电路中。
• 视频与超声领域：在复合视频和超声设备中，DAC7821可用于信号的转换和处理，提高图像和信号的质量。

三、电气特性详解

1. 静态性能

• 分辨率：12位的分辨率，能够提供更精细的模拟输出。
• 相对精度：±1LSB的相对精度，保证了输出信号的准确性。
• 输出泄漏电流：在不同温度条件下，输出泄漏电流较小，确保了输出信号的稳定性。

2. 参考输入

• 参考电压范围：参考输入电压范围为 - 15V至 + 15V，支持双极性输出，满足不同应用的需求。
• 输入电阻：输入电阻为8kΩ至12kΩ，为外部参考源提供了合适的负载。

3. 逻辑输入与输出

• 输入电压：输入低电压和高电压在不同电源电压下有明确的规定，确保了逻辑信号的正确传输。
• 输入泄漏电流和电容：输入泄漏电流和电容较小，减少了对外部电路的影响。

4. 电源要求

• 电源电压：电源电压范围为2.7V至5.5V，可根据实际应用选择合适的电源。
• 工作电流：在不同工作条件下，工作电流较小，降低了功耗。

5. 交流特性

• 输出电压设置时间：仅0.2μs的输出电压设置时间，实现了快速的信号转换。
• 参考乘法带宽：10MHz的参考乘法带宽，可处理高频信号。
• 毛刺脉冲和总谐波失真：低毛刺脉冲和总谐波失真，提高了输出信号的质量。

四、工作原理与电路设计

1. 工作原理

DAC7821采用R - 2R梯形结构，其中三个最高有效位（MSBs）进行了分段处理。每个2R支路可以切换到Iout1或Iout2端子，通过外部I/V转换器将Iout1端子保持在虚拟地电位。外部参考输入VREF决定了DAC的满量程电流，R - 2R梯形网络为外部参考源提供了与代码无关的10kΩ±20%的负载阻抗。

2. 电路设计要点

• 稳定性电路：在电流 - 电压转换设计中，DAC7821的电流输出和与运算放大器反相节点的连接应尽可能短，并遵循正确的PCB布局设计原则。为了保证电路的稳定性，可以添加1pF至5pF的补偿电容C1。
• 放大器选择：选择合适的运算放大器对于DAC7821的性能至关重要。需要考虑放大器的噪声、输入偏置电流、失调电压等因素，同时还要结合DAC的分辨率和毛刺能量。德州仪器提供了多种适合不同应用场景的运算放大器，如低功耗、快速建立和高速应用等。

五、不同输出电路设计

1. 正电压输出电路

为了产生正电压输出，可将负参考输入到DAC7821。这种设计可以避免使用反相放大器带来的电阻容差误差。通过运算放大器将参考电压的Vout和GND电平转换为虚拟地和 - 2.5V输入到DAC7821。

2. 双极性输出电路

DAC7821作为2象限乘法DAC，可用于产生单极性输出。对于需要全4象限乘法能力或双极性输出摆幅的应用，可以添加外部运算放大器U4作为求和放大器，并具有2X的增益，通过2.5V的参考电压偏置U4实现4象限乘法电路。

3. 可编程电流源电路

DAC7821可以集成到改进的Howland电流泵电路中，实现精确的电压 - 电流转换。该电路具有双向电流流动和高电压顺从性的特点。为了避免电路振荡，建议在电路中加入补偿电容C1。

六、并行接口与交叉参考

1. 并行接口

数据以12位并行字的形式加载到DAC7821中，通过CS和R/W控制双向总线，实现数据的写入和读取操作。写入数据时，CS和R/W置低，数据填充输入寄存器，CS的上升沿锁存数据并将其传输到DAC寄存器；读取数据时，R/W置高，CS置低，数据从DAC寄存器加载回输入寄存器并输出到数据线。

2. 交叉参考

DAC7821具有行业标准的引脚配置，与AD5445具有交叉参考关系，方便工程师在不同产品之间进行选择和替换。

七、封装与订购信息

DAC7821采用20引脚的TSSOP封装，提供了多种订购选项，包括不同的包装形式和数量。在订购时，需要注意产品的状态、材料类型、RoHS合规性、引脚镀层材料、MSL评级和峰值回流温度等信息。

八、总结与思考

DAC7821作为一款高性能的12位并行输入乘法数模转换器，具有众多出色的特性和广泛的应用场景。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择电源、运算放大器和电路设计方案，以充分发挥DAC7821的性能优势。同时，我们也需要关注电路的稳定性、精度和抗干扰能力等问题，确保设计的可靠性和稳定性。

大家在使用DAC7821的过程中，有没有遇到过什么问题或者有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。