MAX5174/MAX5176：低功耗串行12位电压输出DAC的卓越之选

在电子设计的领域中，数模转换器（DAC）如同一位神奇的魔法师，能将数字信号转换为模拟信号，广泛应用于各种电子设备。今天，我们就来深入了解一下MAXIM公司推出的低功耗串行12位电压输出DAC——MAX5174/MAX5176。

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产品概述

MAX5174/MAX5176是两款具备低功耗特性的串行电压输出12位DAC，它们被封装在节省空间的16引脚QSOP封装中，内部集成了精密输出放大器。其中，MAX5174采用单+5V电源供电，而MAX5176则使用单+3V电源供电，两款器件的供电电流仅为280µA，在关机模式下更是能降低至1µA。此外，可编程上电复位特性允许用户选择输出电压状态为0或中间值。

产品特性

高精度与低功耗

• 高精度：具备±1 LSB的积分非线性（INL），能有效保证转换精度。
• 低功耗：关机电流仅1µA，显著降低了系统功耗，适合对功耗要求严格的应用场景。

出色的输出性能

• 上电无毛刺：采用专有片上电路，使输出电压在电源上电时几乎“无毛刺”，将毛刺限制在几毫伏以内。
• 轨到轨输出：拥有Rail-to-Rail®输出放大器，可实现全量程输出，MAX5176在(V{REF}=+1.25V)时满量程输出范围为+2.048V，MAX5174在(V{REF}=+2.5V)时满量程输出范围为+4.096V。
• 低总谐波失真：在乘法运算模式下，总谐波失真（THD）低至 -80dB，能提供高质量的输出信号。

灵活的接口与功能

• 兼容多种接口标准：采用3线数字串行接口，与SPI™/QSPI™和MICROWIRE™标准兼容，方便与各种微控制器和其他数字设备连接。
• 双缓冲输入：输入寄存器和DAC寄存器构成双缓冲输入，允许独立或同时更新输入和DAC寄存器，通过16位串行字进行操作。
• 可编程功能：具备软件和硬件关机、关机锁定、硬件清除引脚等功能，还提供可编程数字输出引脚和串行数据输出引脚，方便实现更多功能和级联操作。

应用领域

MAX5174/MAX5176凭借其出色的性能，在多个领域得到了广泛应用：

• 工业过程控制：可用于精确控制工业生产过程中的各种参数，如温度、压力、流量等。
• 数字偏移和增益调整：能够对信号进行精确的偏移和增益调整，提高系统的性能和稳定性。
• 运动控制：为运动控制系统提供精确的模拟信号，实现对电机等执行器的精确控制。
• 自动测试设备（ATE）：在测试设备中，用于生成精确的模拟信号，对被测设备进行测试和验证。
• 远程工业控制：可通过串行接口实现远程控制，适用于远程工业监控和控制系统。
• 微控制器控制系统：与微控制器配合使用，为系统提供模拟输出，扩展系统的功能。

电气特性

MAX5174电气特性

在(V{DD}=+5V±10%)，(V{REF}=2.5V)，OS = AGND = DGND，(R{L}=5kΩ)，(C{L}=100pF)（参考地），(T{A}=T{MIN})至(T_{MAX})的条件下，MAX5174展现出了一系列优秀的电气特性。例如，其分辨率为12位，积分非线性（INL）在MAX5174A型号中为±1 LSB，MAX5174B型号中为±2 LSB；差分非线性（DNL）为±1 LSB；输出噪声电压在f = 100kHz时为1 LSBp-p等。

MAX5176电气特性

当(V{DD}=+2.7V)至 +3.6V，(V{REF}=1.25V)，OS = AGND = DGND，(R{L}=5kΩ)，(C{L}=100pF)（参考地），(T{A}=T{MIN})至(T_{MAX})时，MAX5176也有良好的表现。其分辨率同样为12位，积分非线性（INL）在MAX5176A型号中为±2 LSB，MAX5176B型号中为±4 LSB；差分非线性（DNL）为±1 LSB；输出噪声电压在f = 100kHz时为2 LSBp-p等。

引脚说明

PIN	NAME	FUNCTION
1	OS	偏移调整。连接到AGND时无偏移。
2	OUT	电压输出。关机时为高阻抗，输出电压限制为(V_{DD})。
3	RS	复位模式选择（数字输入）。连接到(V_{DD})选择中间值复位输出电压，连接到DGND选择0复位输出电压。
4	PDL	掉电锁定（数字输入）。连接到(V_{DD})允许关机，连接到DGND禁用软件和硬件关机。
5	CLR	清除DAC（数字输入）。根据RS设置将DAC清除为0或中间值。
6	CS	芯片选择输入（数字输入）。CS为高时，DIN被忽略。
7	DIN	串行数据输入（数字输入）。数据在SCLK的上升沿时钟输入。
8	SCLK	串行时钟输入（数字输入）。
9	DGND	数字地
10	DOUT	串行数据输出
11	UPO	用户可编程输出。状态由串行输入设置。
12	SHDN	关机（数字输入）。当PDL = (V_{DD})时，将SHDN拉高可使芯片进入关机状态，最大关机电流为10µA。
13	AGND	模拟地
14	REF	参考输入。最大(V{REF})为(V{DD}-1.4V)。
15	N.C.	无连接
16	(V_{DD})	正电源。通过一个4.7µF电容与一个0.1µF电容并联旁路到AGND。

详细工作原理

参考输入

参考输入可接受AC和DC值，电压范围从0到(V{DD}-1.4V)。输出电压由公式(V{OUT}=frac{V{REF} cdot N cdot Gain}{4096})计算得出，其中N是DAC二进制输入代码的数值（0到4095），(V{REF})是参考电压，Gain是内部设置的电压增益（当OS = AGND时为1.638V/V），最大输出电压为(V_{DD})。

输出放大器

当OS连接到AGND时，输出放大器采用内部微调电阻分压器，将增益设置为1.638V/V，可最小化增益误差。输出放大器的典型压摆率为0.6V/µs，在加载5kΩ与100pF并联负载时，从满量程转换到±0.5LSB的建立时间为18µs。负载小于2kΩ会降低性能。

关机模式

MAX5174/MAX5176具备软件和硬件可编程关机模式，可将典型供电电流降低至1µA。通过写入适当的输入控制字或使用硬件关机可进入关机模式。在关机模式下，参考输入和放大器输出均变为高阻抗，串行接口保持活跃。输入寄存器中的数据会被保存，以便在返回正常操作时恢复之前的输出状态。退出关机模式可通过从移位寄存器重新加载DAC寄存器、同时加载输入和DAC寄存器或切换PDL来实现，退出后需等待40µs让输出稳定。

串行接口

3线串行接口与SPI和QSPI以及MICROWIRE接口标准兼容。16位串行输入字由两个控制位、12位数据（MSB到LSB）和两个子位组成。控制位决定了器件的响应，可实现加载输入寄存器、更新DAC寄存器、同时更新输入和DAC寄存器等操作。

应用电路设计

单极性输出

通过将MAX5174/MAX5176配置为单极性、轨到轨操作，可实现1.638V/V的增益。输出电压限制为(V_{DD})，可使用OS引脚引入偏移电压。

双极性输出

配置为双极性输出时，输出电压由公式(V{OUT}=V{REF}(frac{2 cdot N}{4096}-1))计算得出。

偏移和缓冲配置

可通过在OS引脚施加电压来引入输出电压偏移，偏移量由公式(V{OFFSET}=V{OS} cdot (1 - Gain))计算。若要将输出放大器的增益设置为1，可将OS连接到OUT。

器件级联

串行数据输出引脚（DOUT）允许多个MAX5174/MAX5176进行级联，只需两条线即可控制所有DAC，但编程需要n个命令。也可让多个器件共享一个共同的DIN信号线，此时数据总线对所有器件通用，但每个器件需要一个专用的CS线，优点是只需一个命令即可对任何DAC进行编程。

使用交流参考

MAX5174/MAX5176可接受带有AC分量的参考信号，只要参考电压保持在0到(V_{DD}-1.4V)之间。可采用将AC信号偏移后再应用到REF的技术。

电源和布局考虑

为了获得最佳系统性能，不建议使用绕线板，应使用具有独立模拟和数字接地平面的印刷电路板，并在低阻抗电源源处将两个接地平面连接在一起。在IC处将DGND和AGND引脚连接在一起，并将该点连接到系统模拟接地平面，以避免数字噪声影响DAC的模拟部分。电源应通过一个4.7µF电容与一个0.1µF电容并联旁路到AGND，并尽量减小电容引脚长度以降低电感。若存在噪声问题，可使用屏蔽和/或铁氧体磁珠来增加隔离。同时，要确保DAC参考输入引脚的参考输出阻抗尽可能低，以维持INL和DNL性能以及增益漂移。

综上所述，MAX5174/MAX5176以其低功耗、高精度、灵活的接口和丰富的功能，为电子工程师在设计各种应用电路时提供了一个优秀的选择。在实际应用中，我们需要根据具体需求合理选择和配置这些器件，以充分发挥它们的优势。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。