雙路電流輸出16/14位DAC AD5545/AD5555：技術剖析與應用指南

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，我們要深入探討的是Analog Devices公司的AD5545/AD5555，這是兩款高性能的雙路電流輸出、串行輸入16/14位DAC，它們在眾多應用場景中都展現出了卓越的性能。

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一、產品概述

AD5545和AD5555分別具有16位和14位的分辨率，工作在4.5V至5.5V的電源范圍內。它們需要一個外部參考來確定滿量程輸出電流，內部反饋電阻（ (R_{FB}) ）與外部運算放大器結合，可增強電阻和溫度跟蹤性能，完成電流到電壓的轉換。其串行數據接口采用3線制，與微控制器兼容，還具備額外的LDAC功能，可實現雙通道的同時更新。此外，內部復位邏輯允許在電源開啟時預設或動態復位到零或中值，具體取決于MSB引腳的狀態。

二、產品特性

高精度性能

• 分辨率：AD5545為16位分辨率，AD5555為14位分辨率。當 (V_{REF}=10V) 時，AD5545的1 LSB對應153μV，AD5555的1 LSB對應610μV。
• 線性度：具有±1 LSB的DNL單調性和±1 LSB的INL，確保了輸出的高精度和線性度。
• 滿量程電流：在 (V_{REF}=10V) 時，滿量程電流為2mA ±20%。

高速響應

• 建立時間：僅需0.5μs的建立時間，能夠快速響應輸入信號的變化。
• 參考輸入帶寬：2Q乘法參考輸入具有6.9MHz的帶寬，可處理高頻信號。

靈活的功能

• 上電預設和動態復位：支持零或中值的上電預設和動態復位，方便系統初始化和故障恢復。
• 3線接口：簡單的3線接口設計，便于與微控制器連接，降低了系統設計的復雜度。
• 緊湊封裝：采用16引腳的TSSOP封裝，節省了電路板空間。

三、電氣特性

靜態性能

• 分辨率：AD5545為16位，AD5555為14位。
• 相對精度：AD5545B的INL為±2 LSB，AD5555C和AD5545C的INL為±1 LSB。
• 差分非線性：DNL單調，誤差為±1 LSB。
• 輸出泄漏電流：在數據為0x0000時，25°C下為10nA，最大溫度下為20nA。
• 滿量程增益誤差：數據為滿量程時，誤差為±1至±4mV。
• 滿量程溫度系數：為1ppm/°C。

參考輸入

• 參考電壓范圍：為 -12V至+12V。
• 輸入電阻：為5kΩ。
• 輸入電容：為5pF。

模擬輸出

• 輸出電流：數據為滿量程時，輸出電流為2mA。
• 輸出電容：與代碼相關，最大為200pF。

邏輯輸入和輸出

• 邏輯輸入低電壓：為0.8V。
• 邏輯輸入高電壓：為2.4V。
• 輸入泄漏電流：為10μA。
• 輸入電容：為10pF。

接口時序

• 時鐘輸入頻率：最大為50MHz。
• 時鐘寬度高：為50ns。
• 時鐘寬度低：為10ns。
• CS到時鐘建立時間：為0ns。
• 時鐘到CS保持時間：為10ns。
• 數據建立時間：為5ns。
• 數據保持時間：為10ns。
• LDAC建立時間：為5ns。
• LDAC保持時間：為10ns。
• LDAC寬度：為10ns。

電源特性

• 電源范圍：為4.5V至5.5V。
• 正電源電流：邏輯輸入為0V時，為10μA。
• 功耗：邏輯輸入為0V時，為0.055mW。
• 電源靈敏度：(Delta V_{DD}=±5%) 時，為0.006%/%。

交流特性

• 輸出電壓建立時間：達到±0.1%滿量程，數據從零量程到滿量程再到零量程的建立時間為0.5μs。
• 參考乘法帶寬：為6.9MHz。
• 饋通誤差：數據為零量程， (V_{REF}=100mV rms) ，f = 1kHz時，為 -81dB。
• 數字饋通：CS為邏輯高且 (f_{CLK}=1MHz) 時，為7nV - s。
• 總諧波失真： (V_{REF}=5V p - p) ，數據為滿量程，f = 1kHz至10kHz時，為 -104dB。
• 模擬串擾： (V{REFB}=0V) ，測量 (V{OUTB}) ， (V_{REFA}=5V p - p) 正弦波，數據為滿量程，f = 1kHz至10kHz時，為 -95dB。
• 輸出點噪聲電壓：f = 1kHz，BW = 1Hz時，為12nV/√Hz。

四、工作原理

數模轉換

AD5545/AD5555采用電流舵型R - 2R梯形設計，DAC內部包含一個匹配的反饋電阻，用于與外部I - V轉換器放大器配合使用。 (R{FB}) 引腳連接到外部放大器的輸出， (I{OUT}) 端子連接到外部放大器的反相輸入。DAC可使用負或正參考電壓， (V{DD}) 電源引腳僅用于驅動DAC開關。DAC的輸出電壓由 (V{REF}) 輸入電壓和加載到相應DAC寄存器的數字數據（D）決定，計算公式如下：

• AD5545： (V{OUT}=-V{REF} × D / 65,536)
• AD5555： (V{OUT}=-V{REF} × D / 16,384)

串行數據接口

AD5545/AD5555使用最少3線（ (overline{CS}) 、SDI、CLK）的串行數據接口進行單通道更新操作。以AD5545為例，用戶可以將 (LDAC) 置低， (overline{RS}) 置高，然后將 (overline{CS}) 置低18位時長，新的串行數據以18位數據字格式在CLK的上升沿時鐘輸入到串行輸入寄存器，MSB位首先加載。當 (overline{CS}) 引腳變為高電平時，只有最后18位數據被傳輸到DAC寄存器并更新輸出。如果微控制器輸出的串行數據長度與AD5545不同，如8位字節，可以將三個右對齊的數據字節寫入AD5545，AD5545會忽略前六位MSB，將后18位LSB識別為有效數據。若要分別編程每個通道并同時更新，可先將 (LDAC) 和 (overline{RS}) 置高，依次對DAC A和DAC B進行編程，最后將 (LDAC) 置低再置高，即可同時更新兩個通道的輸出。

五、應用信息

穩定性

在I - V配置中，DAC的 (I_{OUT}) 和運算放大器的反相節點必須盡可能靠近連接，并采用適當的PCB布局技術。由于每次代碼變化對應一個階躍函數，如果運算放大器的增益帶寬積（GBP）有限，且反相節點存在過多寄生電容，可能會出現增益峰值。可添加一個可選的補償電容C1來提高穩定性，一般6pF的電容通常足以滿足補償需求。

雙極性輸出

AD5545/AD5555本質上是一個2象限乘法DAC，可輕松設置為單極性輸出操作。在某些應用中，可能需要實現全4象限乘法能力或雙極性輸出擺幅，可通過使用一個額外的外部放大器U4配置為求和放大器來實現。該電路中，第二個放大器U4提供2倍的增益，將輸出跨度幅度增加到5V。通過將外部放大器偏置為參考電壓的2.5V偏移，可實現全4象限乘法電路。其傳輸方程如下：

• AD5545： (V{OUT}=(D / 32,768 - 1)× V{REF})
• AD5555： (V{OUT}=(D / 8192 - 1) × V{REF})

可編程電流源

圖23展示了一個使用改進的Howland電流泵的多功能V - I轉換電路，該電路不僅能提供精確的電流轉換，還能實現雙向電流流動和高電壓合規性，可用于4mA至20mA的電流變送器，負載可達500Ω。如果電阻網絡匹配，負載電流計算公式為： (I{L}=frac{frac{(R 2 + R 3)}{R 1}}{R 3} × V{REF} × D) 。為防止振蕩，需要添加補償電容C1，對于關鍵應用，C1的值可通過經驗確定，通常在幾皮法的范圍內。

可編程輸入參考范圍的DAC

由于高電壓參考可能成本較高，用戶可以考慮使用其中一個DAC、一個數字電位器和一個低電壓參考來形成一個具有可編程輸入參考范圍的單通道DAC。這種方法可以優化可編程范圍，并通過軟件更改方便未來系統升級。通過相關公式計算，可以得到參考電壓 (V{REFAB}) 的表達式，進而確定DAC B的輸出電壓 (V{OB}) 。同時，為了保證 (V_{REFAB}) 的準確性，使用數字電位器U4，因為其具有固有的電阻匹配特性。

參考選擇

在為AD55xx系列電流輸出DAC選擇參考時，需要關注參考的輸出電壓和溫度系數規格。選擇具有低輸出溫度系數的精密參考可以最小化誤差源。表10列出了一些適合與該系列DAC配合使用的Analog Devices公司的參考產品。

放大器選擇

電流舵模式對放大器的主要要求是低輸入偏置電流和低輸入失調電壓。由于DAC的輸出電阻與代碼相關，運算放大器的輸入失調電壓會被電路的可變增益放大，從而導致輸出電壓的階躍變化，產生差分線性誤差。運算放大器的輸入偏置電流也會在反饋電阻 (R{FB}) 中產生電壓偏移。此外，運算放大器的共模抑制在電壓切換電路中很重要，因為它會在電路的電壓輸出端產生與代碼相關的誤差。為了獲得最小的建立時間，應盡量減小DAC的 (V{REF}) 節點（即該應用中的電壓輸出節點）的電容，可通過使用低輸入電容的緩沖放大器和精心設計電路板來實現。表11和表12列出了Analog Devices公司提供的適用于精密直流和交流應用的各種放大器。

六、評估板

評估板概述

EVAL - AD5545SDZ評估板需與Analog Devices公司單獨出售的SDP1Z系統演示平臺板配合使用，通過基于Blackfin?的演示板完成與AD5545的USB - SPI通信。

系統演示平臺

系統演示平臺（SDP）是一個用于產品評估板的硬件和軟件評估工具，基于Blackfin ADSP - BF527處理器，通過USB 2.0高速端口與PC連接。

評估板操作

評估板需要±12V和+5V電源，+12V (V{DD}) 和 - 12V (V{SS}) 用于為輸出放大器供電，+5V用于為DAC（ (DV_{DD}) ）供電。評估板軟件提供了設備選擇窗口和AD5545雙DAC操作界面，方便用戶進行測試和配置。

評估板原理圖和布局

文檔中提供了評估板的原理圖和布局圖，包括Schematic Part A、Schematic Part B等，以及絲印圖、元件面和焊接面的布局圖，為用戶進行電路設計和調試提供了詳細的參考。

七、訂購指南

文檔提供了AD5545/AD5555的訂購指南，包括不同型號的INL、DNL、分辨率、溫度范圍、封裝描述、封裝選項和訂購數量等信息，方便用戶根據自己的需求選擇合適的產品。

綜上所述，AD5545/AD5555是兩款性能優異的數模轉換器，具有高精度、高速響應、靈活的功能等特點，適用于自動測試設備、儀器儀表、數字控制校準、工業控制PLC、可編程衰減器等多種應用場景。在實際設計中，結合其電氣特性、工作原理和應用信息，合理選擇參考和放大器，使用評估板進行測試和驗證，能夠充分發揮其性能優勢，實現高質量的電子系統設計。你在使用AD5545/AD5555的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。