SGM5349-16：8通道16位SPI接口电压输出DAC的详细解析

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。SGM5349-16作为一款8通道、16位、SPI接口的电压输出DAC，具有诸多出色的特性和广泛的应用场景。本文将对SGM5349-16进行全面的剖析，为电子工程师们提供详细的设计参考。

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一、产品概述

SGM5349-16是一款16位、8通道的电压输出DAC，设计上保证了单调性。它具备上电控制电路，能确保系统上电时DAC有固定输出。其中，SGM5349A-16上电输出0V，SGM5349M-16上电输出中值。该芯片拥有nLDAC引脚可实现DAC输出同时更新，nCLR引脚能让DAC更新到可配置状态，如零码、中值或满量程。它采用3线SPI兼容接口，操作数据速率高达50MHz，有Green TSSOP - 16和TQFN - 4×4 - 16L两种封装形式。

二、产品特性

2.1 电源与功耗

• 电源范围：电源电压范围为2.7V至5.5V，能适应多种电源环境。
• 低功耗：在5.5V时，掉电模式下电流低至1μA，有效降低了系统功耗。

2.2 性能保证

• 单调性：设计上保证了单调性，确保输出电压随输入数字码单调变化，提高了转换的准确性。
• 上电复位：可复位到零刻度或中值，满足不同应用场景的上电需求。

2.3 功能特性

• 三种掉电模式：提供多种掉电模式选择，方便工程师根据实际需求优化系统功耗。
• 硬件nLDAC功能：可实现DAC输出的同时更新，提高系统的同步性。
• nCLR功能：能将DAC更新到可编程代码，增加了系统的灵活性。

2.4 输出特性

• 轨到轨缓冲电压输出：支持轨到轨输出，扩大了输出电压范围。
• 多种封装形式：提供Green TSSOP - 16和TQFN - 4×4 - 16L封装，方便不同的PCB布局需求。

三、应用场景

SGM5349-16适用于多种应用场景，如电池测试设备、过程控制、可编程电压和电流源以及数据采集系统等。在这些应用中，其高精度、多通道和灵活的控制特性能够充分发挥优势，为系统提供稳定可靠的模拟输出。

四、电气特性

4.1 静态性能

• 分辨率：16位分辨率，能提供高精度的模拟输出。
• 相对精度：在不同电源电压下，相对精度表现良好，如在2.7V时为±8至±18 LSB，5.5V时为±8至±16 LSB。
• 差分非线性：设计上保证单调性，差分非线性典型值为0.4 LSB，最大值为1 LSB。

4.2 输出特性

• 输出电压范围：输出电压范围为0至VCC，实现了轨到轨输出。
• 电容负载稳定性：在不同负载电阻下，电容负载稳定性表现不同，如RL = ∞时为2 nF，RL = 2kΩ时为10 nF。
• 直流输出阻抗：典型值为0.1Ω，输出阻抗较低，能更好地驱动负载。

4.3 参考输入

• 参考电流：在VREFIN = VCC = 5.5V时，每个DAC通道的参考电流为24至35μA。
• 参考输入范围：参考输入范围为0至VCC，与输出电压范围相匹配。
• 参考输入阻抗：典型值为28kΩ，保证了参考输入的稳定性。

4.4 逻辑输入

• 输入电流：所有数字输入的输入电流典型值为0.1μA，最大值为2μA，功耗较低。
• 输入低电压和高电压：输入低电压最大值为0.7V，输入高电压最小值为2.5V，符合常见的数字逻辑电平标准。
• 引脚电容：典型值为3 pF，对信号传输的影响较小。

4.5 电源要求

• 电源范围：电源电压范围为2.7V至5.5V，适应多种电源环境。
• 电源电流：正常模式下典型值为0.8 mA，最大值为1.5 mA；所有掉电模式下电流为1至10μA，功耗较低。

4.6 交流性能

• 输出电压建立时间：¼至¾刻度建立到±2 LSB（16位分辨率）的时间典型值为5μs，响应速度较快。
• 压摆率：典型值为1.2 V/μs，能快速响应输入信号的变化。
• 数字到模拟毛刺脉冲：在不同情况下，毛刺脉冲值有所不同，如1 LSB（16位分辨率）变化时为5 nV - s，从代码0xEA00到代码0xE9FF变化时为20 nV - s。
• 数字串扰和模拟串扰：数字串扰和模拟串扰典型值均为0.5 nV - s，DAC到DAC串扰典型值为2 nV - s，串扰较小，保证了信号的纯净度。
• 乘法带宽：在VREFIN = 2V ± 0.2V PP时，乘法带宽为900 kHz，能满足一定的高频应用需求。
• 总谐波失真：在VREFIN = 2V ± 0.1V PP，频率为10kHz时，总谐波失真为72 dB，失真较小，输出信号质量较高。
• 输出噪声：在不同频率下，输出噪声表现不同，如1kHz时为130 nV/√Hz，10kHz时为90 nV/√Hz，0.1Hz至10Hz时为25 μVp - p，噪声较低，保证了输出信号的稳定性。

五、引脚配置与功能

5.1 引脚配置

SGM5349-16有TSSOP - 16和TQFN - 4×4 - 16L两种封装形式，其引脚配置各有特点。主要引脚包括nLDAC（用于同时更新DAC输出）、nSYNC（帧同步输入引脚）、SCLK（串行时钟输入引脚）、DIN（串行数据输入引脚）、VCC（电源引脚）、GND（接地引脚）以及多个VOUT（模拟输出引脚）等。

5.2 引脚功能

• nLDAC：低电平有效，在其下降沿，DAC输出同时更新。若不使用硬件同时更新功能，可将该引脚永久接地。
• nSYNC：低电平有效，在32位数据移位输入期间，该引脚必须保持低电平。
• SCLK：数据在其下降沿时钟同步。
• DIN：用于输入串行数据。
• VCC：为芯片提供电源。
• GND：接地引脚。
• VOUT：模拟输出引脚，输出DAC转换后的模拟电压。
• VREFIN：模拟电压参考输入引脚。
• nCLR：低电平有效，在其下降沿，DAC寄存器用清除代码寄存器中的数据更新。当nCLR为低电平时，所有nLDAC脉冲无效。

六、详细工作原理

6.1 DAC部分

SGM5349-16的输出代码为直二进制，理想输出电压计算公式为：(V{OUT }=V{REFIN } timesleft(frac{D}{2^{N}}right))，其中D为0至65535的十进制值，N = 16。

6.2 内部参考

该芯片没有内部参考，需要外部提供参考电压。

6.3 输出放大器

输出缓冲放大器为轨到轨输出，能提供较大的输出电压范围。

6.4 串行接口

采用3线SPI兼容接口，操作数据速率高达50MHz。新的写序列开始前，nSYNC必须至少保持15ns高电平，以产生下降沿启动新的写序列。

6.5 输入移位寄存器

输入移位寄存器为32位数据，前4位DB[31:28]为无关位，接下来4位DB[27:24]为命令位C3至C0，不同的命令位组合对应不同的操作。若C3至C0与DAC输出数据更新相关，接下来4位DB[23:20]为DAC地址位A3至A0，再接下来16位DB[19:4]为DAC数据位，最后4位DB[3:0]为未使用数据位。

6.6 nSYNC中断

正常写序列中，nSYNC线必须在SCLK的至少32个下降沿保持低电平，DAC在第32个下降沿更新。若nSYNC在第32个下降沿之前变为高电平，该写操作无效并被忽略。

6.7 上电复位

SGM5349A - 16上电复位输出0V，SGM5349M - 16上电复位输出中值。此外，还有软件复位功能，复位期间，任何nLDAC和nCLR操作无效。

6.8 掉电模式

SGM5349-16有三种掉电模式，通过设置相应的位可将部分或全部DAC设置为选定的掉电模式。要退出掉电模式，需将目标DAC通道配置为正常操作模式。

6.9 清除代码寄存器

nCLR引脚可用于异步设置DAC寄存器和输出，nCLR状态在清除代码寄存器中设置。

6.10 nLDAC功能

可通过硬件nLDAC引脚更新DAC输出，有两种方式：一是将nLDAC引脚接地或保持一段时间低电平，完整写命令执行后，DAC在第32个SCLK下降沿更新；二是在32位写序列期间保持nLDAC高电平，然后给出一个nLDAC脉冲，DAC输出异步更新。此外，还有软件方式控制DAC更新，与nLDAC引脚操作等效。

七、封装与订购信息

7.1 封装形式

提供Green TSSOP - 16和TQFN - 4×4 - 16L两种封装形式，满足不同的PCB布局需求。

7.2 订购信息

不同型号对应不同的封装和温度范围，具体信息如下表所示：	MODEL	PACKAGE DESCRIPTION	SPECIFIED TEMPERATURE RANGE	ORDERING NUMBER	PACKAGE MARKING	PACKING OPTION
SGM5349A - 16	TSSOP - 16	-40 ℃ to +125 ℃	SGM5349A - 16XTS16G/TR	SGMCEF XTS16 XXXXX	Tape and Reel, 4000
	TQFN - 4×4 - 16L	-40 ℃ to +125 ℃	SGM5349A - 16XTQE16G/TR	SGMCED XTQE16 XXXXX	Tape and Reel, 3000
SGM5349M - 16	TSSOP - 16	-40 ℃ to +125 ℃	SGM5349M - 16XTS16G/TR	SGMON3 XTS16 XXXXX	Tape and Reel, 4000
	TQFN - 4×4 - 16L	-40 ℃ to +125 ℃	SGM5349M - 16XTQE16G/TR	SGMON2 XTQE16 XXXXX	Tape and Reel, 3000

八、总结

SGM5349-16作为一款高性能的8通道16位SPI接口电压输出DAC，具有丰富的功能和出色的电气特性。其多种封装形式、灵活的控制方式和低功耗设计，使其在电池测试设备、过程控制、可编程电压和电流源以及数据采集系统等领域具有广泛的应用前景。电子工程师在设计相关系统时，可以充分考虑SGM5349-16的优势，以实现系统的高性能和可靠性。你在实际应用中是否遇到过类似DAC的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。