MAX5158/MAX5159：低功耗双10位电压输出DAC的深度剖析

在电子设计领域，数模转换器（DAC）扮演着至关重要的角色，它将数字信号转换为模拟信号，广泛应用于各种电子设备中。今天，我们就来深入探讨一下MAXIM公司推出的低功耗双10位电压输出DAC——MAX5158/MAX5159。

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一、产品概述

MAX5158/MAX5159是低功耗、串行、电压输出的双10位数字 - 模拟转换器。MAX5158采用单 +5V 电源供电，而MAX5159则使用 +3V 电源，它们的静态电流仅为500µA，在关机模式下更是低至2µA，非常适合对功耗要求较高的应用场景。这两款器件具有Rail - to - Rail输出摆幅，采用节省空间的16引脚QSOP封装，并且其DAC输出放大器内部增益配置为 +2V/V，可最大化动态范围。

二、关键特性

2.1 高精度与高性能

• 分辨率：10位分辨率，能够提供较为精确的模拟输出。
• 线性度：积分非线性（INL）和微分非线性（DNL）均为 ±1 LSB，保证了输出的线性度和单调性。
• 建立时间：输出建立时间仅为8µs，能够快速响应输入信号的变化。

2.2 低功耗设计

• 正常工作电流：仅500µA，有效降低了系统的功耗。
• 关机模式电流：可低至2µA，在不工作时大大节省了能源。

2.3 兼容性强

3线串行接口与SPI™/QSPI™和Microwire™兼容，方便与各种微控制器和其他数字设备进行连接。

2.4 丰富的功能特性

• 可编程关机：支持2µA的可编程关机模式，并且具有硬件关机锁定功能。
• 独立参考电压输入：每个DAC都有独立的参考电压输入，可接受AC和DC信号。
• 清零输入：有源低电平清零输入（CL）可将所有寄存器和DAC复位为零。
• 可编程逻辑引脚：提供可编程逻辑引脚，增加了额外的功能。
• 串行数据输出引脚：支持菊花链连接，方便扩展系统。

三、电气特性

3.1 MAX5158电气特性

在 +5V 电源供电，参考电压 (V{REFA }=V{REFB }=2.048V)，负载 (R{L}=10kΩ)，电容 (C{L}=100pF) 的条件下：

• 静态性能：分辨率为10位，INL和DNL为 ±1 LSB，偏移误差 (V{OS}) 为 ±6 mV，增益误差在 -0.1 到1 LSB之间。
• 参考输入：参考输入范围为0到 (V_{DD}-1.4V)，参考输入电阻为18 - 25 kΩ。
• 动态性能：电压输出压摆率为0.75 V/µs，输出建立时间为8µs，输出电压摆幅为0到 (V_{DD})。

3.2 MAX5159电气特性

在 +2.7V 到 +3.6V 电源供电，参考电压 (V{REFA }=V{REFB }=1.25V)，负载 (R{L}=10kΩ)，电容 (C{L}=100pF) 的条件下：

• 静态性能：分辨率同样为10位，INL和DNL为 ±1 LSB，偏移误差 (V_{OS}) 为 ±6 mV，增益误差在 -0.1 到 ±1 LSB之间。
• 参考输入：参考输入范围为0到 (V_{DD}-1.4V)，参考输入电阻为18 - 25 kΩ。
• 动态性能：电压输出压摆率为0.75 V/µs，输出建立时间为8µs，输出电压摆幅为0到 (V_{DD})。

四、典型应用

4.1 数字偏移和增益调整

利用其高精度和可编程特性，可以对系统的偏移和增益进行精确调整，提高系统的性能和稳定性。

4.2 µP - 控制系统

与微处理器配合使用，实现对模拟信号的精确控制，广泛应用于工业自动化、仪器仪表等领域。

4.3 运动控制

在运动控制系统中，为电机等执行机构提供精确的模拟控制信号，确保运动的精度和稳定性。

4.4 远程工业控制

通过串行接口，可实现远程对工业设备的控制，减少布线成本，提高系统的可靠性。

五、详细设计要点

5.1 参考输入

参考输入可接受AC和DC值，电压范围为0V到 ((V{DD}-1.4V))。输出电压可通过公式 (V{OUT }=left(V{REF } × NB / 1024right) × 2) 计算，其中NB是DAC二进制输入代码的数值，(V{REF}) 是参考电压。参考输入阻抗范围为18kΩ到数GΩ，电容与输入代码有关。

5.2 输出放大器

输出放大器内部电阻提供 +2V/V 的增益，当 (OS{-}) 连接到AGND时，可通过调整 (OS{-}) 引脚产生可调的偏移电压。输出放大器的典型压摆率为0.75V/µs，在8µs内可稳定到1/2LSB。

5.3 电源管理

具有软件可编程关机模式，可将典型电源电流降低到2µA。关机时，参考输入和放大器输出变为高阻抗，串行接口保持活跃。退出关机模式时，需等待20µs使输出稳定。

5.4 串行接口

3线串行接口与Microwire和SPI/QSPI标准兼容，16位串行输入字由地址位、控制位、数据位和子位组成。通过地址和控制位可实现对寄存器的更新和设备状态的控制。

5.5 串行数据输出

DOUT引脚可实现设备的菊花链连接和数据回读，可编程为在SCLK的下降沿（模式0）或上升沿（模式1）移出数据。

5.6 用户可编程逻辑输出（UPO）

UPO可通过串行接口控制外部设备，减少微控制器I/O引脚的使用。上电时，UPO为低电平。

5.7 电源 - 关断锁定输入（PDL）

PDL引脚低电平时可禁用软件关机，在关机状态下，将PDL从高电平变为低电平可唤醒设备。

六、应用电路设计

6.1 单极性输出

通过适当的配置，MAX5158可在2.048V参考电压下产生0V到4.096V的输出，MAX5159在1.25V参考电压下可产生0V到2.5V的输出。通过连接电压到 (OS_{-}) 引脚可实现输出偏移。

6.2 双极性输出

可配置为双极性输出，输出电压由公式 (V{OUT }=V{REF }[((2 × N B) / 1024)-1]) 计算，其中NB是DAC二进制输入代码的数值。

6.3 交流参考输入

在参考信号包含AC分量的应用中，MAX5158/MAX5159在参考输入电压范围内具有乘法能力，可通过适当的电路将正弦输入应用到参考输入。

6.4 数字校准和阈值选择

在数字校准应用中，可通过光照强度的变化对DAC进行校准，适用于转速计、运动传感、自动读取器和液体清晰度分析等应用。

6.5 数字控制增益和偏移

两个DAC可用于控制偏移和增益，以拟合非线性函数，如传感器线性化或模拟压缩/扩展应用。

七、设计注意事项

7.1 电源考虑

上电时，输入和DAC寄存器清零。为保证额定性能，(V{REF}) 应至少比 (V_{DD}) 低1.4V。电源应使用4.7µF电容和0.1µF电容并联旁路到AGND，并尽量减小引线长度以降低引线电感。

7.2 接地和布局考虑

AGND上的数字和AC瞬态信号可能会在输出端产生噪声，应将AGND连接到高质量的接地。采用多层板和低电感接地平面等适当的接地技术，仔细布局通道之间的走线，以减少AC交叉耦合和串扰。不建议使用绕线板和插座，如有噪声问题，可能需要进行屏蔽。

MAX5158/MAX5159以其低功耗、高精度、丰富的功能和良好的兼容性，为电子工程师在各种应用场景中提供了一个优秀的数模转换解决方案。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择器件参数和设计电路，以充分发挥其性能优势。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。