低功耗雙路nanoDACs：AD5627R/AD5647R/AD5667R及AD5627/AD5667的深度解析

在電子設計領域，數模轉換器（DAC）是連接數字世界和模擬世界的關鍵橋梁。今天，我們將深入探討Analog Devices公司的AD5627R/AD5647R/AD5667R以及AD5627/AD5667這一系列低功耗雙路nanoDACs，它們在眾多應用場景中展現出了卓越的性能。

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一、產品概述

AD5627R/AD5647R/AD5667R和AD5627/AD5667屬于nanoDAC家族，是低功耗、雙路、12位、14位、16位的緩沖電壓輸出DAC。這些器件可在2.7V至5.5V的單電源下工作，設計上保證了單調性，并且具備I2C兼容的串行接口。

1. 特性亮點

• 低功耗與小封裝：采用3mm x 3mm LFCSP和10引腳MSOP封裝，是引腳兼容的雙路nanoDAC，功耗低，非常適合便攜式設備。
• 分辨率選擇：提供12位、14位和16位分辨率，可滿足不同應用對精度的要求。
• 參考源多樣：AD5627R/AD5647R/AD5667R具備片上1.25V/2.5V、5 ppm/°C的參考源；而AD5627/AD5667則需要外部參考源。
• 多種功能特性：具備上電復位至零刻度、每通道掉電功能、硬件LDAC和CLR功能，I2C接口支持標準（100 kHz）、快速（400 kHz）和高速（3.4 MHz）模式。

2. 應用領域

這些DAC廣泛應用于過程控制、數據采集系統、便攜式電池供電儀器、數字增益和偏移調整、可編程電壓和電流源以及可編程衰減器等領域。

二、技術規格參數

1. 靜態性能

不同型號的分辨率有所不同，如AD5667R/AD5667為16位，AD5647R為14位，AD5627R/AD5627為12位。在相對精度和差分非線性方面，設計上保證了單調性。此外，還給出了零碼誤差、偏移誤差、滿量程誤差、增益誤差等參數。

2. 交流特性

輸出電壓建立時間方面，不同型號有所差異，例如AD5627R/AD5627在?至?量程內建立到±0.5 LSB的時間為3至4.5 μs。同時，還給出了壓擺率、數模毛刺脈沖、數字饋通、參考饋通、數字串擾、模擬串擾、DAC間串擾、乘法帶寬和總諧波失真等參數。

3. I2C時序規格

詳細規定了不同模式（標準、快速、高速）下的串行時鐘頻率以及各種時序參數，如SCL高電平時間、低電平時間、數據建立時間、數據保持時間等。

4. 絕對最大額定值

明確了器件的各項極限參數，包括電源電壓、輸出電壓、參考輸入/輸出電壓、數字輸入電壓、工作溫度范圍、存儲溫度范圍、結溫、功耗和熱阻等。同時提醒用戶，超過這些額定值可能會對產品造成永久性損壞。

三、工作原理

1. D/A部分

這些DAC采用CMOS工藝制造，架構由電阻串DAC和輸出緩沖放大器組成。使用外部參考源時，理想輸出電壓為 (V{OUT }=V{REFIN } timesleft(frac{D}{2^{N}}right)) ；使用內部參考源時，理想輸出電壓為 (V{OUT }=2 × V{REFOUT } timesleft(frac{D}{2^{N}}right)) ，其中D為加載到DAC寄存器的二進制代碼的十進制等效值，N為DAC分辨率。

2. 電阻串

電阻串由一系列阻值為R的電阻組成，加載到DAC寄存器的代碼決定了從電阻串的哪個節點提取電壓輸入到輸出放大器，保證了單調性。

3. 輸出放大器

輸出緩沖放大器可產生軌到軌的輸出電壓，輸出范圍為0V至VDD，能夠驅動2kΩ與1000pF并聯到地的負載，壓擺率為1.8 V/μs，?至?量程的建立時間為7 μs。

4. 內部參考源

AD5627R/AD5647R/AD5667R具備片上參考源，上電時參考源關閉，可通過寫入控制寄存器啟用。不同封裝的參考源電壓不同，10引腳LFCSP封裝為1.25V，10引腳MSOP封裝為2.5V。使用內部參考源時，建議在參考輸出和地之間放置100nF電容以保證參考源穩定性。

5. 外部參考源

AD5627/AD5667需要外部參考源，通過VREFIN引腳施加。AD5627R/AD5647R/AD5667R的VREFIN引腳也允許在需要時使用外部參考源。

6. 串行接口

采用2線I2C兼容的串行接口，支持標準、快速和高速數據傳輸模式。每個器件都有7位從地址，其中5個最高有效位為00011，2個最低有效位由ADDR引腳狀態設置。通過I2C總線，主設備可以對這些DAC進行讀寫操作。

四、操作模式

1. 寫入操作

寫入時，主設備先發送起始命令和地址字節（R / (overline{W}=0) ），DAC通過拉低SDA表示準備接收數據。然后主設備發送命令字節和兩個數據字節，最后發送停止條件。

2. 讀取操作

讀取時，主設備先發送起始命令和地址字節（R / (overline{W}=1) ），DAC通過拉低SDA表示準備發送數據。主設備讀取三個數據字節，最后發送停止條件。

3. 高速模式

AD5627RBRMZ和AD5667RBRMZ支持3.4 MHz的高速串行通信。主設備通過發送主代碼00001XXX啟動高速模式，之后設備進入高速模式，直到主設備發送停止條件或激活CLR引腳，設備才返回標準/快速模式。

4. 多字節操作

支持多字節操作，通過設置命令寄存器中的S位（DB22）可選擇2字節或標準3字節、4字節操作模式。

5. 廣播模式

支持廣播尋址，可同步更新或掉電多個AD5627R/AD5647R/AD5667R、AD5627/AD5667設備。廣播地址為00010000，僅支持寫模式。

6. LDAC功能

DAC采用雙緩沖接口，由輸入寄存器和DAC寄存器組成。LDAC引腳控制對DAC寄存器的訪問，當LDAC為高電平時，DAC寄存器鎖存；當LDAC為低電平時，DAC寄存器透明，輸入寄存器的內容傳輸到DAC寄存器。通過設置LDAC寄存器，用戶可以靈活控制哪些通道同步更新。

7. 掉電模式

通過命令100設置掉電模式，通過設置Bit DB5和Bit DB4定義DAC放大器的輸出狀態，Bit DB1和Bit DB0確定掉電命令應用到哪些DAC。掉電模式下，電源電流降至480 nA，輸出級內部切換到已知阻值的電阻網絡。

8. 上電復位和軟件復位

器件包含上電復位電路，上電時輸出為0V，直到進行有效的寫入操作。軟件復位命令為101，通過設置輸入移位寄存器中的Bit DB0可選擇不同的復位模式。

9. 清除引腳（CLR）

CLR輸入為下降沿敏感，當CLR為低電平時，所有LDAC脈沖被忽略；當CLR激活時，所有輸入和DAC寄存器加載零刻度，輸出清零。

10. 內部參考源設置（R版本）

上電時片上參考源默認關閉，通過發送參考設置命令（111）并設置輸入移位寄存器中的DB0可開啟參考源。

五、應用信息

1. 使用參考源作為電源

由于AD5627R/AD5647R/AD5667R、AD5627/AD5667的供電電流極低，可使用電壓參考源為其供電，尤其適用于電源噪聲較大或系統電源電壓非5V或3V的情況。

2. 雙極性操作

雖然這些DAC設計用于單電源操作，但通過特定電路可實現雙極性輸出范圍，輸出電壓范圍可達±5V。

3. 電源旁路和接地

在電路設計中，為保證精度，應仔細考慮電源和接地布局。電路板應分為模擬和數字部分，電源應使用10μF和0.1μF電容旁路，且電容應盡量靠近器件。同時，應避免數字和模擬信號交叉，采用合適的布線技術。

六、總結

AD5627R/AD5647R/AD5667R和AD5627/AD5667這一系列nanoDACs憑借其低功耗、高分辨率、豐富的功能和靈活的操作模式，在眾多應用領域展現出了強大的競爭力。電子工程師在設計過程中，可以根據具體需求選擇合適的型號，并合理利用其各項特性，以實現高效、穩定的數模轉換。大家在實際應用中是否遇到過類似DAC的使用問題呢？歡迎留言分享經驗。