探秘AD7303：一款高性能8位双电压输出DAC

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，我们就来深入了解一款性能卓越的DAC——AD7303。

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一、AD7303概述

AD7303是一款双8位电压输出DAC，工作电压范围为+2.7 V至+5.5 V，采用单电源供电。它具有低功耗、高速串行接口等特点，非常适合电池供电的便携式设备。该器件采用8引脚DIP、SOIC和microSOIC封装，集成了两个8位DAC，可实现双路电压输出。

二、关键特性

2.1 低功耗设计

AD7303在3.3 V电压下的功耗仅为2.3 mA，在3 V时最大功耗为7.5 mW，在全功率关断模式下功耗可降至小于3 µW，典型值为80 nA。这种低功耗特性使其在电池供电的应用中具有显著优势，能够有效延长设备的续航时间。

2.2 高速串行接口

它采用了3线串行接口，兼容QSPI、SPI和Microwire等标准，时钟速率最高可达30 MHz。这使得数据传输更加高效，能够满足高速应用的需求。

2.3 内部/外部参考选择

AD7303支持内部和外部参考两种模式。内部参考由VDD产生，外部参考则通过REF引脚输入，参考电压范围为1 V至VDD/2。用户可以根据实际需求灵活选择参考模式，以满足不同的应用场景。

2.4 独立DAC电源关断功能

每个DAC都具有独立的电源关断功能，用户可以根据需要单独关闭某个DAC，进一步降低功耗。当两个DAC都关闭时，设备的电流消耗可降至小于1 µA。

2.5 轨到轨输出

芯片内部的输出缓冲放大器使DAC输出能够实现轨到轨摆动，输出电压范围为0至VDD。同时，输出放大器的压摆率典型值为8 V/µs，在100 pF电容负载下，达到8位分辨率的满量程建立时间典型值为1.2 µs。

三、技术参数详解

3.1 静态性能

• 分辨率：8位，能够提供较为精细的模拟输出。
• 相对精度：±1 LSB max，保证了输出的准确性。
• 微分非线性：±1 LSB max，确保了输出的单调性。
• 零码误差：在+25°C时为3 LSB typ，反映了零输入时的输出误差。
• 满量程误差：包含了失调误差，是衡量输出误差的重要指标。
• 增益误差：在代码15至245之间进行规定，实际在代码15处的误差典型值为3 LSB。

3.2 输出特性

• 输出电压范围：0至VDD，实现了轨到轨输出。
• 输出电压建立时间：典型值为1.2 µs，能够快速响应输入信号的变化。
• 压摆率：典型值为7.5 V/µs，反映了输出电压的变化速度。
• 数模毛刺脉冲：典型值为0.5 nV - s，衡量了数字输入状态变化时对模拟输出的影响。
• 数字馈通：典型值为0.2 nV - s，体现了数字输入对模拟输出的干扰程度。
• 数字串扰：典型值为0.2 nV - s，反映了不同DAC之间的相互干扰。
• 模拟串扰：典型值为±0.2 LSB，衡量了一个DAC输出变化对另一个DAC输出的影响。
• 直流输出阻抗：典型值为40 Ω，影响了输出信号的驱动能力。
• 短路电流：典型值为14 mA，为电路保护提供了参考。
• 电源抑制比：典型值为0.0001 %/% max，反映了电源电压变化对输出的影响程度。

3.3 逻辑输入

• 输入电流：±10 µA max，对驱动电路的要求较低。
• 输入低电压：VINL在VDD = +5 V时为0.8 V max，在VDD = +3 V时为0.6 V max。
• 输入高电压：VINH在VDD = +5 V时为2.4 V min，在VDD = +3 V时为2.1 V min。
• 引脚电容：最大为5 pF，对信号传输的影响较小。

3.4 电源要求

• VDD：工作电压范围为2.7/5.5 V min/max。
• IDD（正常模式）：在VDD = 3.3 V @ +25°C时为2.1 mA max，在VDD = 5.5 V @ +25°C时为2.3 mA max。
• IDD（全功率关断）：在+25°C时典型值为80 nA，最大值为1 µA。

四、工作原理

4.1 DAC架构

AD7303的架构由参考放大器、电流源DAC和电流 - 电压转换器组成。参考放大器提供稳定的参考电压，电流源DAC根据输入的数字代码产生相应的电流，电流 - 电压转换器将电流转换为电压输出。DAC A和DAC B的输出都经过内部缓冲，输出缓冲放大器具有轨到轨输出特性，能够驱动10 kΩ负载至VDD和地，以及100 pF电容至地。

4.2 参考选择

参考选择通过控制寄存器中的INT/EXT位实现。当选择内部参考时，内部产生VDD/2的参考电压，并通过REF引脚输出，用于去耦。此时，外部参考不应连接到REF引脚。当选择外部参考时，外部参考电压通过REF引脚输入，范围为1.0 V至VDD/2。

4.3 串行接口

AD7303的串行接口为3线接口，包括SCLK（串行时钟）、DIN（串行数据输入）和SYNC（帧同步信号）。数据在串行时钟的上升沿被时钟输入到16位的移位寄存器中，前8位为控制位，后8位为数据位。每个传输必须是16位的传输，数据以MSB优先的方式发送，可以一次进行16位写入或两次8位写入。SPI和Microwire接口需要两次8位传输，而QSPI接口可以编程为16位字传输。在时钟输入16位数据到移位寄存器后，SYNC的上升沿执行编程功能。DAC采用双缓冲结构，允许其输出同时更新。

4.4 控制位功能

控制位用于实现各种功能，如参考选择、DAC电源关断、数据加载和输出更新等。具体功能如下：	LDAC	A/B	CR1	CR0	功能实现
0	X	0	0	两个DAC寄存器从移位寄存器加载数据
0	0	0	1	更新DAC A输入寄存器
0	1	0	1	更新DAC B输入寄存器
0	0	1	0	从输入寄存器更新DAC A DAC寄存器
0	1	1	0	从输入寄存器更新DAC B DAC寄存器
0	0	1	1	从移位寄存器更新DAC A DAC寄存器
0	1	1	1	从移位寄存器更新DAC B DAC寄存器
1	0	X	X	从移位寄存器加载DAC A输入寄存器，并更新两个DAC的DAC寄存器
1	1	X	X	从移位寄存器加载DAC B输入寄存器，并更新两个DAC的DAC寄存器输出

4.5 上电复位

AD7303具有上电复位电路，在电源上电时，该电路将DAC保持在复位状态，直到对DAC进行写入操作。在复位状态下，每个DAC的输入寄存器被锁存为全零，DAC寄存器处于透明模式，因此两个DAC的输出都保持在接地电位。

4.6 电源关断特性

通过16位输入字控制部分的两个位，可以将AD7303置于低功耗模式。DAC A和DAC B可以单独关断。当两个DAC都关断时，设备的电流消耗降至小于1 µA。电源关断时，参考偏置伺服环路、输出放大器和相关线性电路都将关闭。在电源关断模式下，输出端看到的负载约为23 kΩ至地。数据寄存器的内容在电源关断模式下不受影响。退出电源关断的时间取决于电源关断的类型，如果设备完全关断，偏置发生器也会关断，设备退出电源关断模式的典型时间为13 µs；如果只有一个通道关断，偏置发生器仍然活跃，该通道退出电源关断模式的典型时间为1.6 µs。

五、应用电路

5.1 典型应用电路

当使用外部参考时，AD7303的参考范围为1 V至VDD/2。对于5 V电源，可选择AD780或REF192作为参考；对于3 V电源，可选择AD589作为参考。电路中，从输入到输出有两倍的增益。此外，AD7303也可以使用内部产生的VDD/2参考，参考选择通过16位输入字的INT/EXT位实现。内部参考选择时，REF引脚会输出VDD/2电压，可使用0.1 µF电容进行去耦以降低噪声。同时，AD7303也支持交流参考输入，具有一定的乘法能力，乘法带宽可达10 kHz。

5.2 双极性操作

虽然AD7303设计用于单电源操作，但通过特定电路可以实现双极性操作。例如，使用AD820或OP295作为输出放大器，可实现输出电压范围为 - 5 V < VO < +5 V的双极性输出。输出电压可根据输入代码和参考电压进行计算，如在VREF = 2.5 V，R1 = R3 = 10 kΩ，R2 = R4 = 20 kΩ，VDD = 5 V的条件下，输出电压公式为VOUT = (10 × D / 256) - 5。

5.3 光隔离接口

AD7303的3线串行接口使其非常适合在过程控制和工业应用中产生精确电压。由于噪声、安全要求或距离等原因，可能需要将AD7303与控制器隔离，可使用光隔离器实现，隔离电压可超过3 kV。在光隔离接口应用中，DIN、SCLK和SYNC由光耦合器驱动，参考使用内部VDD/2参考，并在REF引脚使用0.1 µF陶瓷电容进行去耦。

5.4 多DAC解码

AD7303的SYNC引脚可用于解码多个DAC。在系统中，所有DAC接收相同的串行时钟和串行数据，但在任何时候只有一个DAC的SYNC信号有效，从而实现对多个DAC的访问。可使用74HC139作为2 - 4线解码器来选择DAC。为防止时序错误，在编码地址输入状态变化时，应将使能输入置于非激活状态。

5.5 数字可编程窗口检测器

利用AD7303的两个DAC可以实现数字可编程的上下限检测器。将测试的上下限加载到DAC A和DAC B，通过CMP04设置限制。如果VIN输入信号不在编程窗口内，LED将指示故障状态。

5.6 可编程电流源

AD7303可作为可编程电流源的控制元件。在电路中，满量程电流设置为1 mA，DAC的输出电压施加在4.7 kΩ的电流设置电阻和470 Ω的满量程设置电阻上。反馈环路中可使用BC107或2N3904等晶体管，放大器可选择AD820或OP295，它们具有轨到轨输出特性。电流可根据数字输入代码和参考电压进行计算，公式为I = 2 × VREF × D / (5E + 3 × 256) mA。

六、PCB设计注意事项

在设计AD7303的PCB时，为确保其额定性能，需要注意以下几点：

6.1 电源和接地布局

• 模拟和数字部分应分开布局，分别限制在电路板的特定区域。
• 如果系统中有多个设备需要连接AGND和DGND，应仅在一点进行连接，星型接地点应尽可能靠近AD7303。
• AD7303的电源应进行充分的旁路，在电源引脚附近并联10 µF和0.1 µF的电容。10 µF电容可选用钽珠电容，0.1 µF电容应具有低等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESI），如常见的陶瓷电容，以在高频下提供低阻抗接地路径，处理内部逻辑切换产生的瞬态电流。

6.2 信号布线

• 电源线路应使用尽可能宽的走线，以提供低阻抗路径，减少电源线上的毛刺影响。
• 快速切换信号（如时钟）应使用数字地进行屏蔽，避免向电路板的其他部分辐射噪声，且不应靠近参考输入走线。
• 避免数字和模拟信号交叉，电路板两侧的走线应相互垂直，以减少信号通过电路板的馈通影响。微带技术是最佳选择，但对于双面电路板可能无法实现。在微带技术中，电路板的元件面用作接地平面，信号走线位于焊接面。

七、总结

AD7303以其低功耗、高速串行接口、灵活的参考选择和独立的电源关断功能等特点，成为电池供电便携式设备和工业控制等领域的理想选择。通过合理的电路设计和PCB布局，可以充分发挥其性能优势，实现精确的数模转换。你在使用AD7303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。