DAC6573：低功耗10位四通道DAC的卓越性能与应用解析

在电子工程师的设计世界里，数模转换器（DAC）是实现数字信号与模拟信号转换的关键组件。今天，我们就来深入探讨一款性能出色的低功耗四通道10位DAC——DAC6573，看看它在各种应用场景中能为我们带来怎样的惊喜。

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一、DAC6573的特性亮点

1. 低功耗与高性能并存

DAC6573采用微功耗设计，在3V的 $V_{DD}$ 下仅消耗500µA电流，这使得它在电池供电的便携式设备中表现出色。同时，它具备188kSPS的快速更新速率，能够满足高速数据处理的需求。

2. 丰富的功能特性

• 电源复位：内置的上电复位电路确保DAC输出在上电时为零伏，直到进行有效的写入操作，为系统的稳定性提供了保障。
• 宽电源范围：支持2.7V至5.5V的模拟电源供电，增强了其在不同电源环境下的适应性。
• 高精度与单调性：10位的分辨率和单调特性，保证了输出信号的准确性和稳定性。
• I²C接口：支持高达3.4Mbps的 $I^{2}C^{TM}$ 接口，具备数据传输能力，可实现多设备的连接和通信。
• 双缓冲输入寄存器：能够提高数据处理的效率，确保数据的稳定传输。
• 多设备支持：支持多达16个DAC6573的地址设置，可实现64通道的同步更新，满足大规模系统的需求。
• 宽温度范围：可在 -40°C至105°C的温度范围内正常工作，适用于各种恶劣环境。
• 小封装：采用16引脚的TSSOP封装，节省了电路板空间。

二、技术参数详解

1. 静态性能

• 分辨率：10位的分辨率能够提供较为精细的模拟输出。
• 相对精度：±0.5至 +2 LSB的相对精度，保证了输出信号的准确性。
• 差分非线性：设计上保证了单调特性，差分非线性典型值为 ±0.1 LSB，最大值为 ±0.5 LSB。
• 零刻度误差：典型值为5mV，最大值为20mV。
• 满刻度误差：典型值为 -0.15%，最大值为 ±1.0% FSR。
• 增益误差：最大值为 ±1.0% FSR。
• 零代码误差漂移：典型值为 ±7µV/°C。
• 增益温度系数：典型值为 ±3 ppm of FSR/°C，体现了良好的温度稳定性。

2. 输出特性

• 输出电压范围：0至 $V_{REFH}$ V，可根据参考电压进行调整。
• 输出电压建立时间：在不同负载条件下，建立时间有所不同，如在 $R{L}=∞$，$0 pF < C{L} < 200 pF$ 时，典型值为7µs，最大值为9µs。
• 压摆率：典型值为1V/µs。
• 直流串扰：典型值为0.01 LSB，交流串扰在1kHz正弦波下典型值为 -100dB，表明各通道之间的干扰较小。
• 电容负载稳定性：能够稳定驱动470pF和1000pF的电容负载。
• 数模毛刺脉冲：在主要进位附近1 LSB变化时，典型值为12nV - s。
• 数字直通：典型值为0.3nV - s。
• 直流输出阻抗：典型值为1Ω。
• 短路电流：在 $V{DD}=5V$ 时，典型值为50mA；在 $V{DD}=3V$ 时，典型值为20mA。
• 上电时间：从掉电模式恢复时，$V{DD}=+5V$ 时典型值为2.5µs，$V{DD}=+3V$ 时典型值为5µs。

3. 参考输入特性

• $V_{REFH}$ 输入范围：0至 $V_{DD}$ V。
• $V_{REFL}$ 输入范围：0至GND或 $V_{DD}/2$ V。
• 参考输入阻抗：典型值为25kΩ。
• 参考电流：在 $V{REF}=V{DD}=+5V$ 时，典型值为185µA，最大值为260µA；在 $V{REF}=V{DD}=+3V$ 时，典型值为122µA，最大值为200µA。

4. 逻辑输入特性

• 输入电流：最大值为 ±1µA。
• $V_{IN}$ 输入低电压：最大值为0.3×$IOV_{DD}$ V。
• $V_{IN}$ 输入高电压：最小值为0.7×$IOV_{DD}$ V。
• 引脚电容：典型值为3pF。

5. 电源要求

• $V{DD}$ 和 $IOV{DD}$：范围为2.7V至5.5V。
• 正常工作电流：在不同电压和逻辑电平条件下有所不同，如在 $V{DD}=+3.6V$ 至 +5.5V，$V{IH}=IOV{DD}$ 和 $V{IL}=GND$ 时，典型值为600µA，最大值为900µA。
• 掉电模式电流：典型值为200nA。

6. 时序特性

• SCL时钟频率：支持标准模式（100kHz）、快速模式（400kHz）和高速模式（最高3.4MHz）。
• 总线空闲时间：不同模式下有所不同，如标准模式下为4.7µs，快速模式下为1.3µs。
• 数据建立和保持时间：在不同模式下也有相应的要求，以确保数据的准确传输。

三、工作原理剖析

1. D/A部分

DAC6573采用电阻串DAC架构，后面跟随一个输出缓冲放大器。其输入编码为无符号二进制，理想输出电压公式为：$V{OUT }=2 × V{REF } L+\left(V{REF } H-V{REF } L\right) × \frac{D}{1024}$，其中D为加载到DAC寄存器的二进制代码的十进制等效值，范围从0到1023。

2. 电阻串

电阻串部分由一个二分电阻和一串阻值为R的电阻组成。加载到DAC寄存器的代码通过闭合连接电阻串和放大器的开关之一，决定从电阻串的哪个节点提取电压并输入到输出放大器。由于采用电阻串架构，保证了其单调特性。

3. 输出放大器

输出缓冲是一个增益为2的同相放大器，能够实现轨到轨的输出电压，输出范围为0V至 $V_{DD}$。它能够驱动2kΩ与1000pF并联到地的负载，压摆率为1V/µs，在输出空载时半刻度建立时间为7µs。

4. I²C接口

DAC6573作为从设备，支持 $I^{2}C$ 总线规范定义的标准模式（100kbps）、快速模式（400kbps）和高速模式（3.4Mbps）。在不同模式下，数据传输协议有所不同，但都遵循 $I^{2}C$ 总线的基本规则，通过主设备控制数据的传输和设备的寻址。

四、I²C更新序列与地址设置

1. I²C更新序列

一次更新需要一个起始条件、一个有效的 $I^{2}C$ 地址、一个控制字节、一个MSB字节和一个LSB字节。每次接收到字节后，DAC6573会通过在单个时钟脉冲的高电平期间拉低SDA线来进行确认。控制字节设置所选DAC6573的操作模式，后续的数据更新只需MSB字节和LSB字节，直到操作模式发生变化。在 $I^{2}C$ 高速模式下，除第一次更新外，每次10位DAC更新可在18个时钟周期内完成，更新速率可达188.88kSPS；在快速模式下，最大更新速率限制为22.22kSPS。

2. 地址字节

地址字节的前五位（MSBs）工厂预设为10011，接下来的两位是设备选择位A1和A0，可连接到 $V_{DD}$ 或数字地，也可由TTL/CMOS逻辑电平驱动。通过这些引脚的状态设置设备地址，最多可将16个DAC6573连接到同一 $I^{2}C$ 总线上。

3. 广播地址字节

DAC6573支持广播寻址，广播地址为1001 0000。广播寻址可用于同步更新或掉电多个DAC6573设备，适用于多通道同步更新的应用场景。

五、控制字节与寄存器

1. 控制字节

控制字节包含多个位，用于设置设备的操作模式和选择通道。其中，A2和A3为扩展地址位，L1和L0为加载模式选择位，Sel1和Sel0为通道选择位，PD0为掉电标志位。不同的位组合对应不同的操作模式，如存储 $I^{2}C$ 数据、更新所选DAC、4通道同步更新和广播更新等。

2. 寄存器

DAC6573包含多个寄存器，如CTRL[7:0]存储主设备发送的8位控制字节，MSB[7:0]存储主设备发送的无符号二进制数据的8个最高有效位，也可存储2位掉电数据，LSB[7:0]存储主设备发送的无符号二进制数据的2个最低有效位。每个通道还有12位的临时存储寄存器（TRA[11:0]、TRB[11:0]、TRC[11:0]、TRD[11:0]）和DAC寄存器（DRA[11:0]、DRB[11:0]、DRC[11:0]、DRD[11:0]），用于存储数据和掉电信息。

六、读写操作模式

1. 写入操作

在标准/快速模式和高速模式下，写入操作的基本流程相似。主设备首先发送设备地址（$R / \overline{W}=0$），然后发送控制字节，根据控制字节的PD0位确定后续数据是正常数据还是掉电数据。正常数据以高字节 - 低字节的序列发送，掉电数据为2个字节。

2. 读取操作

在标准/快速模式和高速模式下，读取操作也有相应的流程。主设备先发送设备地址（$R / \overline{W}=0$）和控制字节，然后通过重复起始条件并重新发送地址（$R / \overline{W}=1$），表示准备接收数据。根据PD0位的不同，DAC6573会发送2个或3个字节的数据。

七、电源相关特性

1. 上电复位

DAC6573内置上电复位电路，上电时DAC寄存器填充为零，输出电压为0V，直到进行有效的写入操作。这一特性在需要明确DAC输出状态的应用中非常有用。

2. 掉电模式

DAC6573具有四种可编程的掉电模式，通过MSB字节的两个最高有效位和CTRL[0]位进行设置。在掉电模式下，电源电流大幅降低，输出级内部切换到已知阻值的电阻网络，输出阻抗已知。退出掉电模式的时间在 $V{DD}=5V$ 时典型值为2.5µs，在 $V{DD}=3V$ 时典型值为5µs。

八、其他性能特点

1. 电流消耗

每个活动通道在 $V{DD}=5V$ 时典型消耗150µA，在 $V{DD}=3V$ 时典型消耗125µA，包括参考电流消耗。在掉电模式下，典型电流消耗为200nA。为了实现高效的电源操作，建议在数字输入使用CMOS逻辑电平。

2. $IOV_{DD}$ 与电压转换器

$IOV{DD}$ 引脚为DAC6573的数字输入结构供电，可用于单电源或双电源操作。它能够将外部逻辑高输入通过电平转换器转换为 $V{DD}$，支持2.7V至5.5V的电压范围，确保与各种逻辑家族的兼容性。

3. 负载驱动能力

DAC6573的输出级能够稳定驱动高达1000pF的电容负载，在驱动2kΩ的电阻负载时也能实现良好的负载调节。但在电阻负载下，当输出驱动到正轨时，可能会影响线性度性能，可通过降低参考电压来消除这种影响。

4. 串扰性能

采用为每个DAC通道单独设置电阻串的架构，实现了超低的串扰性能。直流串扰典型值小于0.01 LSB，交流串扰在1kHz正弦波下典型值低于 -100dB。

5. 输出电压稳定性

在规定的温度范围内，DAC6573的输出电压具有出色的温度稳定性，典型输出电压漂移为 ±3 ppm/°C。这使得每个通道的输出电压在 ±1°C的环境温度变化下能够保持在 ±25µV的窗口内，非常适合闭环控制应用。

6. 建立时间和输出毛刺性能

对于输入的满刻度代码变化，DAC6573能够在7µs内达到10位准确范围的建立时间。连续代码变化的最坏情况建立时间通常小于2µs。高速串行接口支持高达188 - kSPS的更新速率。在驱动200pF电容负载时，满刻度输出摆幅的过冲和下冲通常小于100mV。代码到代码的变化毛刺极低，但在跨越Nx64代码边界时会出现毛刺，不过在约2µs内能够稳定下来。

九、应用信息与建议

1. 基本连接

在许多应用中，DAC6573的连接非常简单。通过0.1µF的旁路电容为电源提供瞬间的额外电流。它可以直接与标准模式、快速模式和高速模式的 $I^{2}C$ 控制器接口，适用于各种微控制器的 $I^{2}C$ 外设。由于它不进行时钟拉伸，因此在同一 $I^{2}C$ 总线上没有其他需要时钟拉伸的设备时，无需特别考虑。同时，$I^{2}C$ 总线的SDA和SCL线需要上拉电阻，电阻的大小取决于总线的工作速度和电容。

2. 使用GPIO端口模拟 $I^{2}C$

如果没有 $I^{2}C$ 控制器，DAC6573可以连接到GPIO引脚，并通过软件模拟 $I^{2}C$ 总线协议。在这种情况下，SCL线可以不使用上拉电阻，但前提是总线上没有其他可能拉低时钟线的设备。一些微控制器的GPIO端口内置了可选的强上拉电路，可以在某些情况下替代外部上拉电阻。

3. 使用REF02作为电源

由于DAC6573所需的电源电流极低，可以使用REF02 +5V精密电压参考为其供电，同时提供参考输入。这在电源噪声较大或系统电源电压不是5V的情况下非常有用。但需要注意REF02的负载调节特性，可能会引入一定的误差。

4. 布局建议

作为精密模拟组件，DAC6573需要精心的布局、足够的旁路电容和干净、稳定的电源。$V{DD}$ 电源应具有良好的稳压和低噪声特性，建议使用1 - µF至10 - µF的电容与0.1 - µF的旁路电容并联，在某些情况下可能还需要额外的旁路措施。GND和 $V{DD}$ 的连接应与数字逻辑分开，直到在电源入口点连接。

十、总结

DAC6573以其低功耗、高性能、丰富的功能和良好的稳定性，成为了电子工程师在设计数模转换电路时的理想选择。无论是在过程控制、数据采集系统、闭环伺服控制还是便携式仪器等领域，它都能够发挥出色的作用。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和场景，合理选择其工作模式、设置参数，并注意布局和电源等方面的问题，以充分发挥其性能优势。希望通过本文的介绍，能让大家对DAC6573有更深入的了解，在设计中更好地运用这款优秀的DAC芯片。

各位工程师朋友们，你们在使用DAC芯片时遇到过哪些问题？对于DAC6573的应用，你们有什么独特的见解或经验吗？欢迎在评论区分享交流！