深入解析DAC121S101/-Q1：12位微功耗数模转换器

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，我们将深入探讨德州仪器（TI）的DAC121S101/-Q1 12位微功耗、轨到轨数模转换器，了解其特性、应用、工作原理以及设计要点。

文件下载：dac121s101.pdf

一、产品特性亮点

1. 高可靠性与宽适应性

DAC121S101-Q1通过了AEC - Q100 Grade 1认证，采用汽车级工艺流程制造，适用于汽车等对可靠性要求极高的应用场景。它具有确保的单调性，能在 - 40°C至 + 125°C的宽温度范围以及2.7 V至5.5 V的宽电源电压范围内稳定工作，为不同环境下的应用提供了有力保障。

2. 低功耗与高性能

该转换器具备低功耗运行特性，正常模式下，3.6 V时功耗典型值为0.64 mW，5.5 V时为1.43 mW；掉电模式下，3.6 V时功耗典型值为0.14 µW，5.5 V时为0.39 µW。同时，它拥有12位分辨率，DNL典型值为 - 0.15至 + 0.25 LSB，输出建立时间典型值为8 µs，零码误差典型值为4 mV，满量程误差典型值为 - 0.06 %FS，展现出了出色的性能。

3. 其他实用特性

轨到轨电压输出、上电复位至零伏输出、小封装以及掉电功能等特性，使得DAC121S101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、可编程衰减器等应用中具有显著优势。

二、应用场景广泛

1. 电池供电仪器

由于其低功耗特性，DAC121S101非常适合用于电池供电的仪器设备，能够有效延长电池使用寿命，同时保证仪器的性能稳定。

2. 数字增益和偏移调整

在需要对信号进行精确调整的场景中，如通信系统、测试测量设备等，DAC121S101可以实现数字增益和偏移的精确调整，提高系统的性能和精度。

3. 可编程电压和电流源

它能够根据数字输入信号生成可编程的电压和电流输出，为各种需要可变电源的应用提供了灵活的解决方案，如传感器供电、电机控制等。

4. 汽车应用

DAC121S101 - Q1的汽车级认证使其在汽车电子领域具有广泛的应用前景，如汽车仪表盘、传感器信号处理等。

三、详细工作原理

1. 整体架构

DAC121S101采用CMOS工艺制造，其架构由开关、电阻串和输出缓冲器组成。电源电压作为参考电压，输入编码为直二进制，理想输出电压计算公式为 (V{OUT }=V{A} \times(D / 4096))，其中D是加载到DAC寄存器的二进制代码的十进制等效值，范围为0至4095。

2. 电阻串结构

电阻串由4096个等值电阻组成，每个电阻节点处都有一个开关，还有一个接地开关。加载到DAC寄存器的代码决定了哪个开关闭合，从而将合适的节点连接到放大器，确保了DAC的单调性。

3. 输出放大器

输出缓冲放大器为轨到轨类型，提供0 V至 (V{A}) 的输出电压范围。不过，像所有轨到轨放大器一样，当输出接近电源轨（0 V和 (V{A}) ）时，会出现线性度损失，因此线性度是在小于DAC全输出范围的区间内进行规定的。

4. 功能模式

• 上电复位：上电复位电路在电源开启时控制输出电压，上电后DAC寄存器被清零，输出电压为0 V，直到对DAC进行有效写操作。
• 掉电模式：DAC121S101有四种工作模式，通过控制寄存器中的两位（DB13和DB12）进行设置。当DB13和DB12都为0时，设备正常工作；其他三种组合对应不同的掉电模式，可将电源电流降至掉电水平，输出通过1 kΩ或100 kΩ电阻下拉，或处于高阻抗状态。在掉电模式下，偏置发生器、输出放大器、电阻串和其他线性电路都会关闭，但DAC寄存器的内容不受影响，退出掉电模式后，输出电压会恢复到进入掉电模式前的电压。

5. 编程方式

• 串行接口：采用三线SPI接口，与SPI、QSPI、MICROWIRE以及大多数DSP兼容。写操作从将SYNC线拉低开始，DIN线上的数据在SCLK的下降沿被时钟输入到16位串行输入寄存器，在第16个下降沿，最后一位数据被时钟输入，编程功能（操作模式改变和/或DAC寄存器内容改变）被执行。SYNC线可以保持低电平或拉高，但在下一次写操作前必须拉高到规定的最小时间，因为SYNC的下降沿可以启动下一次写周期。为了降低功耗，SYNC和DIN在写操作之间应保持低电平。
• 输入移位寄存器：输入移位寄存器有16位，前两位为无关位，随后两位决定操作模式（正常模式或三种掉电模式之一）。串行输入寄存器的内容在SCLK的第16个下降沿被传输到DAC寄存器。如果SYNC在第16个下降沿之前被拉高，移位寄存器将被复位，写操作无效，DAC寄存器不会更新，操作模式和输出电压也不会改变。

四、设计要点与注意事项

1. 电源供应

由于DAC121S101使用电源电压作为参考电压，因此需要提供无噪声的电源。可以使用参考源作为电源，如LM4130、LM4050等，它们具有较高的精度和稳定性；也可以使用低噪声调节器，如LP3985、LP2980等。在选择电源时，需要根据具体应用需求和性能要求进行综合考虑。

2. 布局设计

• 电源旁路：DAC121S101的电源必须使用10 - µF和0.1 - µF的电容进行旁路，0.1 - µF电容应尽可能靠近设备的电源引脚。10 - µF电容应为钽电容，0.1 - µF电容应为低ESL、低ESR类型。
• 模拟与数字区域分离：为了获得最佳的精度和最小的噪声，包含DAC121S101的印刷电路板应具有独立的模拟和数字区域，由模拟和数字电源平面的位置来定义。两个平面应位于同一板层，并且最好使用单一接地平面。如果数字返回电流不会流过模拟接地区域，单一接地平面设计是首选；如果需要，可以使用围栏技术防止模拟和数字接地电流混合；只有在围栏技术不足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DAC121S101。
• 信号布线：应避免模拟和数字信号交叉，时钟和数据线应位于电路板的元件侧，并且具有受控阻抗。

3. 接口设计

在与微处理器和DSP接口时，需要注意数据传输的时序和格式。例如，与ADSP - 2101/ADSP2103接口时，DSP必须设置为SPORT传输交替帧模式；与80C51/80L51接口时，需要注意数据传输的字节顺序；与68HC11接口时，需要正确配置CPOL和CPHA位。

五、总结

DAC121S101/-Q1以其低功耗、高性能、宽适应性等特点，在众多应用领域展现出了强大的竞争力。电子工程师在设计过程中，充分利用其特性，同时注意电源供应、布局设计和接口设计等要点，能够开发出更加稳定、高效的电子系统。大家在实际应用中是否遇到过类似DAC的设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。