在電子設計的廣闊領域中，數模轉換器（DAC）扮演著至關重要的角色，它能將數字信號轉換為模擬信號，廣泛應用于工業、汽車、便攜式設備等眾多領域。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）推出的DAC101C08xx系列10位微功耗數模轉換器，看看它有哪些獨特的特性和應用場景。

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產品概述

DAC101C08xx系列包括DAC101C081、DAC101C081Q和DAC101C085三款產品。其中，DAC101C081是一款單通道、10位電壓輸出的數模轉換器，工作電壓范圍為2.7V至5.5V。其輸出放大器支持軌到軌輸出擺幅，具有6μs的建立時間，以電源電壓為參考，可提供最寬的動態輸出范圍，在5.0V工作時典型功耗僅為132μA。該產品有6引腳SOT和WSON封裝可供選擇，并提供三種地址選項（引腳可選）。DAC101C081Q符合AEC Q100 Grade 1標準，適用于汽車級應用。而DAC101C085則提供九種 (I^{2} C^{TM}) 尋址選項，并使用外部參考，性能和建立時間與DAC101C081相同，采用8引腳VSSOP封裝。

產品特性

高性能指標

分辨率與單調性：具有10位分辨率，確保10位單調性，能夠提供精確的模擬輸出。

線性度：積分非線性（INL）最大為±2 LSB，差分非線性（DNL）最大為+0.3/-0.2 LSB，保證了輸出信號的線性度。

誤差指標：零碼誤差最大為+10 mV，滿量程誤差最大為 -0.7 %FS，增益誤差最大為 -0.7 %FS，確保了輸出的準確性。

低功耗設計

寬電源范圍：工作電源電壓范圍為2.7V至5.5V，適用于多種電源環境。

低功耗模式：在3.3V時最大功耗為156μA，具有三種電源關斷模式，關斷時電源電流可低至0.13μA（3V時）和0.15μA（5V時），非常適合電池供電的設備。

接口兼容性

(I^{2} C) 接口：支持標準（100kHz）、快速（400kHz）和高速（3.4MHz）三種模式的 (I^{2} C) 兼容2線接口，可與各種微控制器和處理器輕松連接。

封裝優勢

小尺寸封裝：提供SOT、WSON和VSSOP等多種小尺寸封裝，節省電路板空間，適用于對空間要求較高的應用。

內部結構與工作原理

功能框圖

DAC101C08xx的功能框圖包括電源上電復位、參考、DAC寄存器、10位DAC、輸出緩沖器和 (I^{2} C) 接口等部分。其中，DAC101C081使用電源（VA）作為參考，而DAC101C085則使用外部參考（VREF）。

DAC部分

DAC部分采用單電阻串結構，由1024個等值電阻組成，每個電阻節點都有一個開關，通過DAC寄存器加載的代碼來控制開關的閉合，從而將相應的節點連接到放大器。輸入編碼為直二進制，理想輸出電壓為 (V{OUT }=V{REF } times(D / 1024)) ，其中D為加載到DAC寄存器的二進制代碼的十進制等效值，范圍為0至1023。這種結構確保了DAC的單調性。

輸出放大器

輸出放大器為軌到軌放大器，當參考電壓為VA時，輸出電壓范圍為0V至VA。該放大器能夠驅動2kΩ與1500pF并聯的負載到地或VA，其零碼和滿量程輸出在給定負載電流下的參數可在電氣特性表中查詢。

參考電壓

DAC101C081使用電源（VA）作為參考，因此VA必須被視為參考電壓，建議使用低輸出阻抗的電壓源來驅動參考電壓。DAC101C085則帶有外部參考電源引腳（VREF），應盡量保持VREF的干凈。在應用信息部分，介紹了幾種適當驅動參考電壓的方法。

電源上電復位

電源上電復位電路在電源上電時控制DAC的輸出電壓，上電后DAC寄存器填充為零，輸出電壓為0V，直到對DAC進行有效的寫操作。在復位設備時，必須將VA電源降低到最大200mV，然后再升高電源以確保ADC按規定工作。

同時復位

廣播地址允許 (I^{2} C^{TM}) 主設備同時向多個DAC寫入單個字。只要所有DAC都在同一 (I^{2} C^{TM}) 總線上，使用廣播地址尋址總線時，每個DAC都會更新。這一特性允許主設備將共享 (I^{2} C^{TM}) 總線上的所有DAC復位到特定的數字代碼。

編程與通信協議

(I^{2} C) 接口

DAC101C08xx采用 (I^{2} C) 兼容的2線串行接口，支持標準 - 快速模式（100kHz和400kHz）和高速模式（3.4MHz）。在使用時，SCL和SDA總線上需要上拉電阻或電流源，將總線拉高。邏輯零通過將輸出拉低來傳輸，邏輯高通過釋放輸出并允許其被外部上拉來傳輸。上拉電阻的合適值取決于總線總電容和工作速度。

基本 (I^{2} C) 協議

(I^{2} C) 接口是雙向的，允許多個設備在同一總線上工作。每個設備都有一個唯一的硬件地址，稱為“從地址”。主設備通過發送從地址并監聽從設備的響應（確認位）來與特定設備通信。如果地址匹配，從設備會將SDA總線拉低以確認（ACK）；如果地址不匹配，則讓SDA被拉高以不確認（NACK）。在數據傳輸時，主設備寫入數據時，從設備在每個數據字節成功接收后ACK；主設備讀取數據時，主設備在每個數據字節接收后ACK，若不想繼續讀取，則在最后一個數據字節后NACK并在總線上創建停止條件。

標準 - 快速模式

在標準 - 快速模式下，主設備通過在SCL為高時將SDA從高拉低來生成起始條件，隨后發送7位從地址和讀寫位。如果地址匹配，DAC101C081會ACK主設備；如果不匹配，則NACK。寫操作時，主設備發送上8位數據，DAC101C081 ACK后，再發送下8位數據，DAC101C081再次ACK后，DAC輸出更新。讀操作時，DAC101C081發送上8位數據，主設備ACK后，再發送下8位數據，主設備在接收下8位數據后發送NACK，然后主設備生成停止條件或重復起始條件以結束或繼續通信。

高速（Hs）模式

在Hs模式下，通信開始的事件序列與標準 - 快速模式略有不同。總線最初以標準 - 快速模式運行，主設備生成起始條件并發送8位Hs主代碼（00001XXX）到DAC101C081，DAC101C081以NACK響應。當SCL線被拉高后，主設備通過提高總線速度并生成重復起始條件（在SCL拉高時將SDA拉低）切換到Hs模式，然后發送從地址，通信繼續按照基本操作圖進行。

(I^{2} C) 從（硬件）地址

DAC具有7位 (I^{2} C^{TM}) 從地址，由ADR0和ADR1地址選擇輸入配置。ADR0和ADR1可以接地、浮空或連接到VA，也可以設置為VA / 2。除了可選擇的從地址外，還有一個廣播地址（1001000），當總線以廣播地址尋址時，所有DAC101C081和DAC101C085都會同步響應和更新。需要注意的是，地址選擇輸入僅在DAC被正確尋址（非廣播地址）之前采樣，一旦尋址成功，ADR0和ADR1輸入將進入三態，從地址被“鎖定”，除非設備電源循環，否則更改ADR0和ADR1不會更新所選從地址。

寫入和讀取DAC寄存器

寫入DAC寄存器：主設備以正確的從地址尋址DAC，并將讀寫位寫為“0”，如果尋址正確，DAC返回ACK。主設備先發送上數據字節，DAC響應ACK后，再發送下數據字節，DAC再次ACK后，DAC輸出更新。主設備可以繼續發送數據字節、生成停止條件或重復起始條件。

讀取DAC寄存器：主設備以正確的從地址尋址DAC，并將讀寫位寫為“1”，如果尋址正確，DAC返回ACK。DAC發送上數據字節，主設備ACK后，再發送下數據字節。假設只讀取一個16位數據字，主設備在接收下數據字節后發送NACK，然后生成停止條件或重復起始條件。

應用場景與設計實例

雙極性操作

DAC101C081設計用于單電源操作，輸出為單極性。但通過特定電路可以實現雙極性輸出，例如使用一個運算放大器和一些電阻組成的電路，可提供±5V的輸出電壓范圍。輸出電壓公式為 (V{O}=left(V{A} times(D / 1024) times((R 1+R 2) / R 1)-V{A} × R 2 / R 1right)) ，其中D為十進制輸入代碼。當 (V{A}=5 ~V) 且 (R 1=R 2) 時， (V_{0}=(10 × D / 1024)-5 V) 。適合該應用的軌到軌放大器有LMP7701、LMV841、LMC7111和LM7301等。

DSP/微處理器接口

2線總線接口：微控制器通過2線總線與DAC101C081連接時，需要選擇合適的上拉電阻（Rp）來創建適當的總線上升時間，并限制總線上開漏輸出設備吸收的電流。標準 - 快速模式總線應用中，典型的上拉電阻值為2kΩ至10kΩ。在DAC101C081附近的SCL和SDA串聯電阻（RS）是可選的，如果預計2線總線上會有高壓尖峰，則應使用串聯電阻來過濾SDA和SCL上的電壓，RS通常為51Ω。

Hs模式總線接口：與標準 - 快速模式總線接口類似，但在Hs模式下，SCL的指定上升時間縮短。為了實現更快的上升時間，主設備（微控制器）可以直接驅動SCL總線的高低電平，也可以減小上拉電阻的值或增加上拉電流以滿足更嚴格的時序要求。

壓力傳感器增益調整

在一個正電源數據采集系統中，需要對壓力傳感器的輸出進行數字化處理，并通過DAC101C081調整偏置電壓來校正壓力傳感器輸出的增益誤差。壓力傳感器的輸出與電阻橋的不平衡和DAC101C081的輸出成正比，ADC161S626的輸出則是壓力傳感器輸出的函數，與ADC輸入和DAC101C081輸出電壓的比值有關。

電源供應與布局建議

電源供應

由于DAC101C08xx從參考輸入到輸出的電源抑制比（PSRR）幾乎為零，因此需要為參考電壓提供無噪聲的電源。DAC101C081功耗很低，可以使用參考源作為電源電壓。為確保準確性，VA和VREF必須進行良好的旁路處理。以下是幾種適合DAC101C081的參考和電源選項：

LM4132：溫度精度為0.05%，4.096V版本適用于0至4.095V輸出范圍的應用。通過在 (V{IN }) 引腳和 (V{OUT}) 引腳分別旁路0.1μF和2.2μF的電容，可以提高穩定性并降低輸出噪聲。

LM4050：分流參考，精度為0.44%，有4.096V和5V版本。使用時需要選擇合適的電阻值，以確保通過LM4050的最大電流不超過15mA，并且LM4050能夠獲得足夠的最小電流進行調節。

LP3985：低噪聲、超低壓差電壓調節器，溫度精度為3%，有3.0V、3.3V和5V版本。輸入需要1.0μF的電容，輸出需要1.0μF的陶瓷電容，且ESR要求為5mΩ至500mΩ。

LP2980：超低壓差調節器，根據等級不同，溫度精度為0.5%或1.0%，有3.0V、3.3V和5V版本。需要在輸出端連接至少1.0μF的電容以確保環路穩定性，2.2μF或更大的電容會提供更好的性能，電容的ESR應在LP2980數據手冊規定的范圍內。

布局建議

為了獲得最佳的準確性和最小的噪聲，包含DAC101C08xx的印刷電路板需要劃分模擬和數字區域，由模擬和數字電源平面的位置來定義。兩個平面應位于同一板層，并且最好使用單個接地平面。如果數字返回電流不流經模擬接地區域，單個接地平面設計是首選；如果需要，也可以使用單獨的接地平面，但必須在一處連接，最好靠近DAC101C08xx。此外，應避免模擬和數字信號交叉，將時鐘和數據線放在電路板的元件側，并確保它們具有受控的阻抗。DAC101C08xx的電源應使用4.7μF和0.1μF的電容進行旁路，0.1μF的電容應盡可能靠近設備的電源引腳。

總結

DAC101C08xx系列10位微功耗數模轉換器以其高性能、低功耗、小尺寸和 (I^{2} C) 接口兼容性等優點，成為了眾多應用場景的理想選擇。無論是工業過程控制、便攜式儀器、可編程電壓和電流源，還是汽車電子等領域，DAC101C08xx都能發揮出其獨特的優勢。在實際設計中，我們需要根據具體的應用需求，合理選擇電源供應和布局方案，以確保DAC101C08xx的性能得到充分發揮。希望通過本文的介紹，能讓大家對DAC101C08xx有更深入的了解，為電子設計工作提供有益的參考。

你在使用DAC101C08xx的過程中遇到過哪些問題？或者有什么獨特的應用經驗？歡迎在評論區分享交流！