MAX5250：低功耗四路10位电压输出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。今天，我们就来深入了解一款性能出色的DAC产品——MAX5250，它由Maxim公司推出，是一款低功耗、四路、10位电压输出的DAC，具备串行接口，在工业过程控制等众多领域有着广泛的应用。

文件下载：MAX5250.pdf

一、产品概述

MAX5250在一个节省空间的20引脚封装中集成了四个低功耗、电压输出的10位DAC以及四个精密输出放大器。除了四个电压输出外，每个放大器的负输入也可供用户使用，这为特定增益配置、远程传感和高输出驱动能力提供了便利，使其非常适合工业过程控制应用。此外，它还具备软件关机、硬件关机锁定、低电平有效复位（将所有寄存器和DAC清零）、用户可编程逻辑输出和串行数据输出等功能。

二、关键特性

2.1 四路10位DAC与可配置输出放大器

MAX5250拥有四个10位DAC，每个DAC都配备了可配置的输出放大器，能够满足不同的应用需求。

2.2 单电源+5V供电

采用+5V单电源供电，正常工作时的电源电流仅为0.85mA，关机模式下更是低至10µA，有效降低了功耗。

2.3 多种封装形式

提供20引脚的SSOP和DIP封装，方便不同的PCB布局和安装需求。

2.4 上电复位功能

上电复位可将所有寄存器和DAC清零，确保系统启动时的稳定性。

2.5 兼容SPI/QSPI和MICROWIRE接口

其3线串行接口与SPI™/QSPI™和MICROWIRE™兼容，允许通过单个软件命令独立或同时更新输入和DAC寄存器。

2.6 用户可编程数字输出

用户可以根据需要对数字输出进行编程，增加了系统的灵活性。

2.7 施密特触发器输入

具备施密特触发器输入，可直接与光耦合器接口，提高了抗干扰能力。

2.8 可升级至12位

如果需要更高的分辨率，还可选择升级到12位的MAX5252。

三、电气特性

3.1 静态性能

• 分辨率：10位，能够提供较为精细的模拟输出。
• 积分非线性（INL）：MAX5250A的INL为±0.25LSB（典型值），MAX5250B为±1.0LSB。
• 差分非线性（DNL）：保证单调，最大为±1.0LSB。
• 失调误差（VOS）：最大为±6.0mV。
• 失调误差温度系数：典型值为6ppm/°C。
• 增益误差（GE）：最大为±1.0LSB。
• 增益误差温度系数：典型值为1ppm/°C。
• 电源抑制比（PSRR）：在4.5V ≤ VDD ≤ 5.5V范围内，典型值为100µV/V，最大值为800µV/V。

  3.2 参考输入特性

• 参考输入范围：0V至（VDD - 1.4V）。
• 参考输入电阻：与代码相关，在代码为554 hex时最小值为8kΩ。

  3.3 乘法模式性能

• 参考-3dB带宽：在VREF = 0.67V P - P时，典型值为650kHz。
• 参考馈通：输入代码全为0，VREF = 3.6V P - P，1kHz时为 - 84dB。
• 信噪失真比（SINAD）：VREF = 1V P - P，25kHz，满量程代码时为72dB。

  3.4 动态性能

• 电压输出压摆率：典型值为0.6V/µs。
• 输出建立时间：达到±1/2LSB，VSTEP = 2.5V时，典型值为10µs。
• 输出电压摆幅：轨到轨（Rail - to - Rail），范围为0至VDD。
• FB_电流：最大为0.1A。
• 关机时OUT_泄漏电流：最大为±1A。
• 退出关机模式的启动时间：典型值为15s。
• 数字馈通：CS = VDD，DIN = 100kHz时为5nV - s。
• 数字串扰：为5nV - s。

  3.5 电源特性

• 电源电压：4.5V至5.5V。
• 电源电流：正常工作时典型值为0.85mA，最大值为0.98mA；关机时典型值为10A，最大值为20A。
• 关机时参考电流：典型值为0.01A，最大值为±1A。

四、详细工作原理

4.1 参考输入

MAX5250有两个参考输入REFAB和REFCD，可接受正直流和交流信号。参考输入电压范围为0V至（VDD - 1.4V），其输出电压由以下公式表示： [VOUT =(VREF × NB / 1024) × Gain] 其中，NB是DAC二进制输入代码的数值（0至1023），VREF是参考电压，Gain是外部设置的电压增益。参考输入的阻抗与代码相关，REFAB和REFCD的参考输入有10kΩ的保证最小输入阻抗。在关机模式下，参考输入进入高阻抗状态，典型输入泄漏电流为0.01µA。

4.2 输出放大器

所有DAC输出都由精密放大器内部缓冲，典型压摆率为0.6V/µs。用户可以通过访问每个输出放大器的反相输入来灵活设置输出增益和进行信号调理。在MAX5250输出进行满量程转换时，加载5kΩ并联100pF负载时，达到±1/2LSB的典型建立时间为10µs。

4.3 掉电模式

MAX5250具有软件可编程关机功能，可将电源电流降低到典型值10µA。电源掉电锁定引脚（PDL）必须为高电平才能启用关机模式。写入1100XXXXXXXXXXXX作为输入控制字可使MAX5250进入掉电模式。在掉电模式下，输出放大器和参考输入进入高阻抗状态，串行接口保持活跃，输入寄存器中的数据得以保留。从掉电模式启动时，允许15µs使输出稳定。

4.4 串行接口配置

MAX5250的3线串行接口与MICROWIRE和SPI/QSPI兼容。串行输入字由两个地址位和两个控制位，后跟10 + 2个数据位（MSB优先）组成。4位地址/控制代码决定了MAX5250的响应，包括要更新的寄存器、数据通过串行数据输出（DOUT）时钟输出的时钟沿、用户可编程逻辑输出（UPO）的状态、是否进入关机模式以及从关机模式恢复时的配置等。

4.5 串行数据输出（DOUT）

DOUT是内部移位寄存器的输出，可编程使数据在SCLK的上升沿（模式1）或下降沿（模式0）从DOUT时钟输出。上电时，DOUT默认采用模式0时序。

4.6 用户可编程逻辑输出（UPO）

UPO允许通过MAX5250串行接口控制外部设备。

4.7 级联设备

多个MAX5250可以通过将一个设备的DOUT引脚连接到链中下一个设备的DIN引脚进行级联。也可以采用另一种配置，使数据总线对所有设备通用，但这种配置需要更多的I/O线，因为每个IC都需要一个专用的芯片选择输入（CS）。

五、应用信息

5.1 单极性输出

单极性输出时，输出电压和参考输入极性相同。图9所示的电路是典型的单极性输出电路，表2列出了单极性输出代码。对于轨到轨输出，可采用图10的电路，将输出放大器配置为闭环增益为+2，使用2.5V参考时可提供0V至5V的满量程范围。

5.2 双极性输出

通过图11的电路可将MAX5250输出配置为双极性操作，输出电压公式为： [VOUT = VREF [(2NB / 1024) - 1]] 表3显示了该电路的数字代码（偏移二进制）和相应的输出电压。

5.3 使用交流参考

在参考具有交流信号分量的应用中，MAX5250在参考输入范围规格内具有乘法能力。图12展示了一种将正弦波信号应用于参考输入的技术，其中交流信号在应用于REFAB/REFCD之前进行了偏移。

5.4 数字可编程电流源

图13的电路通过在运算放大器反馈回路中放置一个NPN晶体管（如2N3904）来实现数字可编程的单向电流源，可用于驱动4 - 20mA电流回路，输出电流计算公式为： [IOUT =(VREF / R) times(NB / 1024)] 其中，NB是DAC二进制输入代码的数值，R是图13中所示的感测电阻。

六、电源和布局考虑

6.1 电源考虑

上电时，所有输入和DAC寄存器被清零，DOUT处于模式0。为保证MAX5250的额定性能，应将REFAB/REFCD限制在VDD以下小于1.4V。使用4.7µF电容与0.1µF电容并联旁路VDD到AGND，并尽量缩短引线长度，将旁路电容尽可能靠近电源引脚放置。

6.2 接地和布局考虑

AGND和DGND之间的数字或交流瞬态信号可能会在模拟输出端产生噪声，应将AGND和DGND在DAC处连接在一起，然后连接到可用的高质量接地。良好的印刷电路板接地布局可以最小化DAC输出、参考输入和数字输入之间的串扰，应尽量使模拟线远离数字线，不建议使用绕线板。

七、订购信息

MAX5250提供多种型号，不同型号在温度范围、引脚封装和积分非线性（INL）等方面有所不同，具体如下：	PART	TEMP RANGE	PIN - PACKAGE	INL (LSB)
MAX5250ACPP	0°C to +70°C	20 Plastic DIP	±1/2
MAX5250BCPP	0°C to +70°C	20 Plastic DIP	±1
MAX5250ACAP	0°C to +70°C	20 SSOP	±1/2
MAX5250BCAP	0°C to +70°C	20 SSOP	±1
MAX5250AEPP	-40°C to +85°C	20 Plastic DIP	±1/2
MAX5250BEPP	-40°C to +85°C	20 Plastic DIP	±1
MAX5250AEAP	-40°C to +85°C	20 SSOP	±1/2
MAX5250BEAP	-40°C to +85°C	20 SSOP	±1
MAX5250BMJP	-55°C to +125°C	20 CERDIP*	±1

注：*联系工厂了解MIL - STD - 883的可用性和处理情况。

综上所述，MAX5250凭借其低功耗、高性能和丰富的功能，在工业过程控制、自动测试设备、远程工业控制等领域具有很大的应用潜力。电子工程师在设计相关系统时，可以根据具体需求选择合适的型号，并合理考虑电源和布局等因素，以充分发挥MAX5250的优势。大家在实际应用中是否遇到过类似DAC的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。