16位DAC81401和12位DAC61401（DACx1401）器件是引腳兼容的單通道、緩沖、高壓輸出數模轉換器（DAC）系列，集成了2.5V內部基準電壓源。這些器件指定為單調，并提供小于1LSB（最大值）的卓越線性度。

DACx1401 提供 ±20V、±10V、±5V 的雙極性輸出電壓，以及 40V、10V 和 5V 的滿量程單極性輸出電壓。DAC 輸出范圍是可編程的。
*附件：dac61401.pdf

DACx1401 集成了一個上電復位 （POR） 電路，可為 DAC 輸出供電，并使器件保持掉電模式，直到輸出使能。

與器件的通信通過與行業標準微處理器和支持 1.7V 至 5.5V作的微控制器兼容的高速 4 線串行接口完成。

DACx1401 的工作溫度范圍為 –55°C 至 +125°C，采用小型 16 引腳 QFN 和 20 引腳 TSSOP 封裝。

特性

• 卓越性能：1LSB INL/DNL（最大）
• 超低毛刺能量：1nV-s
• 寬電源：
  • 單極模式：+4.5V 至 +41.5V
  • 雙極性模式：±4.5V 至 ±21.5V
• 14 個用戶可編程輸出范圍
  • ±5V、±10V、±20V
  • 0V 至 5V、0V 至 10V、0V 至 20V、0V 至 40V
  • 20% 超量程（±20V 和 0V 至 40V 除外）
• 集成 10ppm/°C、2.5V 精密基準電壓源
• 可靠性特點：
  • 循環冗余校驗 （CRC）
  • 故障引腳
• 50MHz、4線SPI兼容接口
  • 回讀
  • 菊花鏈
• 溫度范圍：–55°C 至 +125°C
• 包：
  • 20 引腳 TSSOP （PW）
  • 16引腳WQFN（RTE）

參數

方框圖

一、產品概述

DAC61401（12 位）與 DAC81401（16 位）是德州儀器推出的單通道高壓輸出數模轉換器（DAC） 系列，核心優勢在于高精度（INL/DNL 最大 1LSB）、寬輸出范圍（單極性 040V / 雙極性 ±20V）及集成精密基準源，專為半導體測試、工業控制、實驗室儀器等高壓高精度場景設計。通過可編程增益輸出緩沖、SPI 接口及故障檢測功能，在簡化系統設計的同時，確保全溫域（-55125°C）下的穩定性與可靠性。

二、核心特性

（一）高精度與高壓輸出

• 分辨率與線性度 ：DAC61401 為 12 位，DAC81401 為 16 位，兩者均保證單調特性，積分非線性（INL）與微分非線性（DNL）最大 1LSB，全溫域總未調整誤差（TUE）最大 0.05% FSR，滿足精密測量需求；
• 輸出范圍 ：支持 14 種用戶可編程輸出范圍，覆蓋單極性（05V/10V/20V/40V，部分范圍支持 20% 超量程，如 05V 可擴展至 0~6V）與雙極性（±5V/±10V/±20V），適配不同高壓驅動場景；
• 動態性能 ：超低毛刺能量（1nV?s），5V 量程下建立時間 7μs（±2LSB），40V 量程下 22μs（±2LSB），壓擺率最高 4V/μs（非 40V 量程），確保高速響應。

（二）低功耗與靈活供電

• 功耗優化 ：正常模式下模擬供電電流（IAVDD）最大 1.6mA，數字供電電流（IVDD）最大 2.5mA，全局掉電模式功耗僅 10μA，支持分模塊掉電（如關閉內部基準、DAC 輸出）進一步降低功耗；
• 供電配置 ：需四電源供電，模擬正電源（AVDD）4.541.5V、模擬負電源（AVSS）-21.50V（雙極性模式需負電源）、數字核心電源（VDD）4.55.5V、接口電源（IOVDD）1.75.5V，電源序列無強制要求，簡化系統供電設計。

（三）集成精密基準與故障防護

1. 內部基準 ：集成 2.5V 精密基準源，溫度漂移最大 10ppm/°C，輸出噪聲（0.1~10Hz）典型值 30μVpp，支持外部基準輸入（VREFIO 引腳），適配更高精度需求場景；
2. 故障檢測 ：具備循環冗余校驗（CRC）、溫度告警（結溫超 140°C 觸發）、DAC 忙狀態指示功能，FAULT 引腳（開漏輸出）可配置為故障告警輸出，支持 CRC 錯誤、溫度超限、DAC 忙等多觸發源；
3. 可靠性設計 ：輸出短路保護（短路電流限制 40mA），ESD 防護符合 HBM±1000V/CDM±500V 標準，確保工業環境下的抗干擾能力。

（四）靈活的數字接口與控制

• SPI 接口 ：支持 50MHz 高速 4 線 SPI（SCLK/SDIN/SDO/SYNC），兼容 1.7~5.5V 邏輯電平，支持寄存器讀寫、數據回讀及菊花鏈（Daisy-Chain）多器件級聯，適配多通道同步控制；
• 配置功能 ：通過寄存器可配置輸出范圍、基準源（內部 / 外部）、掉電模式、CRC 校驗等，支持軟件復位與軟件清除（清零代碼 / 中量程代碼），適配動態系統調整需求。

三、器件信息與電氣規格

（一）型號差異與封裝

（二）熱學特性（典型值）

（三）核心電氣參數（TA=-40~125°C，AVDD=15V，AVSS=-15V，VREF=2.5V）

四、功能模塊詳解

（一）模擬輸出與基準模塊

1. R-2R 梯形 DAC 架構
   • 采用分段式 R-2R 梯形網絡，配合專用基準緩沖器，確保輸入阻抗恒定（參考引腳 VREFIO 阻抗典型值 50kΩ），通過生產校準實現低非線性；
   • 輸出緩沖放大器支持軌到軌輸出，單極性模式下輸出阻抗 0.05Ω，雙極性模式下 0.05Ω，負載調整率 50μV/mA，保證大負載下的電壓穩定性。
2. 基準源配置
   • 內部基準 ：默認掉電狀態，需通過 GENCONFIG 寄存器（0x04）啟用，輸出 2.5V（±0.1% 精度），支持 5mA 負載電流，VREFIO 引腳需并聯 150nF 濾波電容；
   • 外部基準 ：需將內部基準掉電，外部 2.5V 基準接入 VREFIO 引腳，推薦使用高精度基準源（如 REF5025），此時增益誤差溫度漂移降至 - 35ppm/°C，提升長期穩定性。
3. 高壓輸出與保護
   • 輸出級支持 ±15mA 驅動電流（AVDD>5.5V 時），具備 1.5V 電源裕量（輸出離電源軌 1.5V 內仍保證線性）；
   • 短路保護：輸出短路至 AVSS/AVDD 時，電流限制 40mA（AVDD>5.5V），避免器件損壞，短路狀態下結溫可能超上限，需避免長期短路。

（二）數字信號處理與控制

1. 可編程增益輸出
   • 輸出增益隨量程自動配置，如 0~5V 量程增益 2.0、±5V 量程增益 4.0、40V 量程增益 16.0，輸出電壓計算公式如下：
     • 單極性：VOUT ? =2NCODE?**×VREFIO ? ×GAIN**（CODE 為十進制輸入代碼，N 為分辨率）
     • 雙極性：VOUT ? =(2N2**×CODE?**? 1 )×VREFIO?**×GAIN**
   • 支持負載電壓 sensing（VSENSEP 引腳），通過反饋補償 PCB 線路壓降，確保負載端電壓精度。
2. 故障檢測與告警
   • 溫度告警 ：結溫超 140°C 時觸發熱關斷，TEMP-ALM bit 置 1，DAC 輸出進入掉電模式，需通過 ALM-RESET bit 清除告警；
   • CRC 校驗 ：啟用后 SPI 幀擴展為 32 位（含 8 位 CRC-8 校驗），CRC 錯誤時 CRC-ALM bit 置 1，FAULT 引腳可配置為低電平告警；
   • DAC 忙指示 ：DAC 更新期間 DAC-BUSY bit 置 1，FAULT 引腳可配置為忙狀態指示，避免連續更新導致數據錯誤。
3. 掉電模式
   • 支持全局掉電（DEV-PWDWN）與 DAC 單獨掉電（DAC-PWDWN），掉電時 DAC 輸出通過 10kΩ 電阻接地，寄存器數據保持，恢復后輸出恢復至掉電前值；
   • 掉電電流：AVDD/AVSS 掉電電流最大 10μA，VDD/IOVDD 掉電電流最大 10μA，適合低功耗待機場景。

（三）SPI 接口與寄存器控制

1. 多接口模式
   • 標準 SPI ：24 位幀（1 位 R/W+1 位保留 + 6 位地址 + 16 位數據），支持讀寫寄存器，SCLK 最高 50MHz（IOVDD=2.7~5.5V 時）；
   • 菊花鏈模式 ：多器件通過 SDO 級聯，需滿足 24×N 個 SCLK 周期（N 為器件數），SYNC 高電平時數據鎖存至各器件；
   • CRC 模式 ：32 位幀（1 位 R/W+1 位 CRC-ERROR+6 位地址 + 16 位數據 + 8 位 CRC），用于噪聲環境下確保通信完整性。
2. 關鍵寄存器 | 地址（十六進制）| 寄存器名稱 | 功能描述 ||----|----|----||0x02|STATUS | 狀態寄存器，顯示 CRC 告警、DAC 忙、溫度告警狀態 ||0x03|SPICONFIG|SPI 配置，控制故障引腳觸發源、掉電模式、CRC 使能 ||0x04|GENCONFIG | 通用配置，控制內部基準掉電 / 使能 ||0x0A|DACRANGE | 輸出量程配置，4 位字段選擇 14 種輸出范圍 ||0x0E|TRIGGER | 觸發寄存器，支持軟件復位、軟件清除、告警清除 ||0x10|DAC|DAC 數據寄存器，存儲 16 位輸入代碼（12 位型號高 4 位無效）|

五、典型應用場景

（一）半導體測試與 ATE 設備

• 應用架構 ：DAC81401 通過 SPI 接收 FPGA 配置指令，輸出 040V 高壓信號，經外部運算放大器（如 OPA593）增益擴展至 080V，驅動半導體測試探針；VSENSEP 引腳反饋負載電壓，補償線路壓降；CRC 校驗確保配置指令無誤，溫度告警防止器件過熱；
• 關鍵配置 ：啟用內部基準（2.5V），配置 DAC 量程為 020V，外部放大器增益 4 倍，實現 080V 輸出；FAULT 引腳配置為溫度告警與 CRC 錯誤觸發，確保測試過程穩定；
• 性能優化 ：CCOMP 引腳并聯 470pF 電容，支持 1μF 負載電容，建立時間 1.2ms（±2LSB），滿足測試設備的高壓快速切換需求。

（二）工業 PLC 模擬輸出模塊

• 應用架構 ：DAC61401 接收 PLC 主機指令，輸出 420mA 對應電壓信號（如 010V），經電壓 - 電流轉換器（OPA333+NPN 三極管）轉換為 4~20mA 電流信號，驅動遠程執行器；SPI 接口支持菊花鏈，實現多通道同步輸出；
• 關鍵配置 ：選擇雙極性 ±10V 量程，軟件清除功能確保上電時輸出中量程（0V），避免執行器誤動作；掉電模式用于待機節能，恢復后快速輸出目標值；
• 可靠性設計 ：FAULT 引腳外接上拉電阻，監測 DAC 忙狀態，避免主機連續發送更新指令；TVS 管（36V 雙向）并聯于 VOUT 引腳，防護 ESD 與電壓瞬變。