DAC8812：一款高性能的16位数字模拟转换器

在电子设计领域，数字模拟转换器（DAC）的性能直接影响着系统的精度和稳定性。今天，我们就来深入探讨一下TI公司的DAC8812，这是一款双路、串行输入的16位乘法型数字模拟转换器，具有诸多出色的特性。

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一、特性与应用

1.1 特性亮点

• 高精度：相对精度最高可达1 LSB（DAC8812C型号），差分非线性度最大为1 LSB，能为系统提供精确的模拟输出。
• 宽电压范围：可在2.7 - 5.5 V的单电源下工作，适用范围广泛。
• 快速响应：0.5 μs的建立时间，能快速响应输入信号的变化。
• 丰富的功能：具有独立的参考输入、双缓冲寄存器、SPI兼容的3线接口、内部上电复位等功能，方便与微控制器连接和实现多通道同步更新。

1.2 应用场景

DAC8812适用于多种领域，如自动测试设备、仪器仪表、数字控制校准等。在这些应用中，其高精度和快速响应的特性能够确保系统的准确测量和控制。

二、规格参数

2.1 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。DAC8812的最大结温为150°C，工作温度范围为 -40°C 至 85°C，各引脚的电压和电流也有相应的限制。在设计时，必须确保器件工作在这些额定值范围内，避免因过压、过流等情况导致器件损坏。

2.2 ESD 评级

该器件的人体模型（HBM）静电放电电压可达 +4000 V，带电设备模型（CDM）为 ±1000 V。虽然有一定的静电防护能力，但在使用过程中仍需注意静电防护，避免因静电放电对器件造成损害。

2.3 推荐工作条件

推荐的电源电压范围为2.7 - 5.5 V，工作环境温度为 -40°C 至 85°C。在这些条件下，器件能够发挥最佳性能。

2.4 电气特性

• 静态性能：分辨率为16位，不同型号的相对精度有所差异（DAC8812B为 +2 LSB，DAC8812C为 ±1 LSB），输出泄漏电流、满量程增益误差等参数也有明确的规定。
• 参考输入：参考电压范围为 -15 V 至 15 V，输入电阻为 4 - 6 kΩ，通道间输入电阻匹配精度为 1%。
• 模拟输出：输出电流在数据为 FFFFh 时为 1.6 - 2.5 mA，输出电容与代码有关。
• 逻辑输入：输入低电压和高电压根据电源电压不同而有所变化，输入泄漏电流最大为 1 μA。

2.5 交流特性

包括输出电压建立时间、DAC 毛刺脉冲、参考乘法带宽、总谐波失真等参数。这些参数反映了器件在交流信号处理方面的性能，对于需要处理动态信号的应用非常重要。

三、详细描述

3.1 功能框图

DAC8812内部包含两个16位的电流输出型DAC，每个DAC都有独立的乘法参考输入。通过双缓冲寄存器和SPI兼容的3线接口，实现数据的高速传输和多通道同步更新。

3.2 特性描述

3.2.1 数字模拟转换

DAC采用电流导向的R - 2R梯形结构，每个DAC都有一个匹配的反馈电阻，与外部I - V转换器放大器配合使用。输出电压由参考电压和数字数据决定，公式为 $V{OUT }=-V{REF } × \frac{D}{65536}$，输出极性与参考电压极性相反。该DAC还能处理交流参考输入信号，参考电压输入范围为 -15 V 至 15 V，输入电阻为 5 kΩ ±20%。在选择外部放大器时，需要考虑DAC输出阻抗的变化，对于乘法模式应用，可能需要外部反馈补偿电容来提供临界阻尼输出响应。

3.2.2 上电复位

上电时，内部复位脉冲会根据MSB引脚的电压将输入和DAC寄存器置为零代码状态或中值代码状态。为了保证复位效果的一致性，电源电压应具有平滑的正斜坡，避免在 1.5 - 2.3 V 范围内出现下垂。

3.3 器件功能模式

3.3.1 串行数据接口

采用3线SPI兼容的串行数据接口，以18位数据字格式将数据时钟输入到串行输入寄存器，MSB位先加载。只有最后18位数据（地址 + 数据）在CS引脚上升沿时被处理，内部生成的加载脉冲将串行寄存器数据传输到由地址位A1和A0解码的DAC输入寄存器。如果不需要双缓冲数据，可将LDAC引脚接地以禁用DAC寄存器。

3.3.2 控制逻辑

通过CS、CLK、LDAC、RS和MSB等引脚的不同组合，可以实现对串行移位寄存器、输入寄存器和DAC寄存器的控制。例如，RS引脚可以将所有寄存器置为零代码状态（MSB = 0）或中值代码状态（MSB = 1）。

四、应用与实现

4.1 应用信息

该设计采用DAC8812的一个通道，后面跟随一个四象限乘法电路，将MDAC的电流输出转换为对称的双极性电压。通过跨阻放大器将电流转换为电压，再通过求和放大器施加偏移电压。

4.2 典型应用

4.2.1 设计要求

使用乘法型DAC需要一个输入失调电压最小的跨阻放大器，外部电阻的公差应尽可能小，以确保最佳性能。求和放大器也需要低输入失调电压和足够的压摆率。

4.2.2 详细设计步骤

首先，通过跨阻放大器将MDAC的电流输出转换为电压。然后，将MDAC参考电压和跨阻放大器的输出连接到求和放大器的反相输入端，输出电压由公式 $V{OUT }( Code )=\left(\frac{R{FB 2}}{R{G 1}} × \frac{V{REF } × Code }{2^{bits }}\right)-\left(\frac{R{FB 2}}{R{G 2}} × V_{REF }\right)$ 确定。

4.2.3 应用曲线

从输出电压与代码的关系曲线以及输出误差与代码的关系曲线可以看出，随着输出代码的增加，误差会逐渐增大，这是由于DAC增益误差的贡献增加所致。

五、电源供应与布局建议

5.1 电源供应

DAC8812可在2.7 - 5.5 V的电源电压范围内工作，电源应具有良好的稳压性能和低噪声。建议在 $V_{DD}$ 引脚附近添加100 - pF 至 1 - nF 的电容和 0.1 - μF 至 1 - μF 的旁路电容，以进一步降低电源噪声。

5.2 布局建议

5.2.1 布局准则

作为精密模拟组件，DAC8812需要精心的布局、足够的旁路电容和干净稳定的电源。该器件有三个接地引脚，模拟地和数字地应分别连接到模拟地平面和数字地平面，并在电源入口处连接。$V_{DD}$ 应连接到独立的电源平面或走线，直到模拟和数字电源在电源入口处连接。同时，强烈建议添加旁路电容，必要时可使用额外的滤波措施。此外，补偿电容可用于减轻放大器输出电压在大代码变化时的过冲现象。

5.2.2 布局示例

提供的布局示例展示了DAC8812的合理布局方式，有助于工程师在实际设计中参考。

六、总结

DAC8812以其高精度、宽电压范围、快速响应等特性，成为了许多电子系统中的理想选择。在设计过程中，我们需要充分了解其规格参数、功能特性和应用要求，合理选择电源和布局方案，以确保器件能够发挥最佳性能。同时，注意静电防护等细节问题，提高系统的可靠性和稳定性。希望通过本文的介绍，能帮助大家更好地掌握DAC8812的设计和应用。你在使用DAC8812的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。