DAC8811：16位串行输入乘法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，我们要深入探讨一款性能卓越的DAC——TI的DAC8811，它以其出色的特性和广泛的应用场景，在众多电子设备中发挥着重要作用。

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一、DAC8811的核心特性

高精度与低噪声

DAC8811具有±0.5 LSB的微分非线性（DNL）和±1 LSB的积分非线性（INL），确保了高精度的转换。同时，其低噪声特性（12 nV/√Hz）使得它在对噪声敏感的应用中表现出色。

低功耗与宽电源范围

该转换器的功耗极低，IDD仅为2 μA，非常适合电池供电的设备。其模拟电源电压范围为2.7 V至5.5 V，提供了很大的设计灵活性。

高速接口与快速建立时间

50 MHz的串行接口和0.5 μs的建立时间，使得DAC8811能够满足高速数据处理的需求，适用于对实时性要求较高的应用。

四象限乘法参考

支持±10 V的参考输入和10 MHz的参考带宽，具备四象限乘法功能，为设计带来了更多的可能性。

小巧封装与标准引脚配置

采用8引脚的3×3 mm VSON和3×5 mm VSSOP封装，节省了电路板空间。而且其引脚配置符合行业标准，方便与其他器件集成。

二、应用领域

DAC8811的出色性能使其在多个领域得到了广泛应用：

• 自动测试设备（ATE）：高精度和快速建立时间能够满足ATE对测试精度和速度的要求。
• 仪器仪表：低噪声和高精度特性保证了测量结果的准确性。
• 数字控制校准：可以实现精确的校准功能，提高系统的稳定性和可靠性。
• 工业控制PLC：在工业自动化领域，为控制系统提供精确的模拟输出。

三、详细描述

架构与工作原理

DAC8811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支路可以切换到地（GND）或输出电流（IOUT）端。通过外部I/V转换器运算放大器，IOUT端保持在虚拟地电位。外部参考输入VREF决定了DAC的满量程电流，R - 2R梯形网络对外部参考呈现5 kΩ±25%的与代码无关的负载阻抗。

功能框图

从功能框图可以看出，DAC8811主要由电源复位、DAC寄存器、移位寄存器等部分组成。通过3线串行接口（CS、CLK、SDI）与微控制器或DSP进行通信。上电时，DAC寄存器被清零，输出为零。

特性电路设计

稳定性电路

在电流 - 电压转换设计中，为了防止增益峰值，可添加一个补偿电容C1（典型值为4 pF至20 pF）。

正电压输出电路

为了产生正电压输出，可以输入负参考电压到DAC8811，避免使用反相放大器带来的电阻容差误差。

双极性输出电路

通过添加外部运算放大器U4作为求和放大器，并使用2.5 V的参考电压偏移进行偏置，可以实现四象限乘法功能和双极性输出。

可编程电流源电路

DAC8811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。为了避免振荡问题，建议添加补偿电容C1。

设备功能模式与编程

功能模式

通过控制CLK和CS信号，可以实现数据的移位和加载到DAC寄存器。具体逻辑如下表所示：	CLK	CS	串行移位寄存器	DAC寄存器
X	H	无影响	锁存
￪ +	L	移位寄存器数据前进一位	锁存
X	H	无影响	锁存
X	￪ +	移位寄存器数据传输到DAC寄存器	从串行寄存器加载新数据

编程

DAC8811具有3线串行接口，兼容SPI、QSPI和Microwire接口标准。输入移位寄存器为16位宽，数据在CLK的上升沿时钟进入。在第16个上升沿，最后一位数据被时钟进入，执行编程功能。

四、应用与实现

典型应用电路

典型应用电路包括跨阻级和增益与偏移级。跨阻级将MDAC的电流输出转换为电压，增益与偏移级应用偏移电压。

设计要求

使用乘法DAC时，跨阻级放大器需要具有最小的输入失调电压。为了获得最佳性能，外部电阻的容差应控制在0.1%。求和级放大器也需要低输入失调电压和足够的压摆率。

详细设计步骤

根据公式[V{OUT }( Code ) =\left(\frac{2{FB2 }}{R{G 1}} × \frac{V{REF } × Code }{2^{bits }}\right)-\left(\frac{R{FB 2}}{R{S 2}} × V_{REF }\right)]进行设计，实现所需的输出电压。

五、电源与布局建议

电源建议

DAC8811可以在2.7 V至5.5 V的电源电压范围内工作。为了减少电源噪声，建议使用稳压电源，并添加100 pF和1 nF的电容以及0.1 μF至1 μF的旁路电容。

布局指南

精密模拟组件需要精心布局、适当的旁路和干净、稳压的电源。由于DAC8811只有一个接地引脚，所有返回电流都必须通过该点。因此，建议将GND直接连接到模拟接地平面，并与数字组件的接地连接分开，直到在系统的电源入口点连接。同时，AVDD也应连接到独立的电源平面或走线，并添加旁路电容。

六、总结

DAC8811是一款功能强大、性能卓越的16位数模转换器，具有高精度、低噪声、低功耗等优点。在多个应用领域中，它都能够提供可靠的模拟输出解决方案。在设计过程中，我们需要充分考虑其特性和要求，合理选择电源和布局，以确保系统的性能和稳定性。你在使用DAC8811的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。