探秘AD7303：一款高性能8位雙電壓輸出DAC

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，我們就來深入了解一款性能卓越的DAC——AD7303。

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一、AD7303概述

AD7303是一款雙8位電壓輸出DAC，工作電壓范圍為+2.7 V至+5.5 V，采用單電源供電。它具有低功耗、高速串行接口等特點，非常適合電池供電的便攜式設備。該器件采用8引腳DIP、SOIC和microSOIC封裝，集成了兩個8位DAC，可實現雙路電壓輸出。

二、關鍵特性

2.1 低功耗設計

AD7303在3.3 V電壓下的功耗僅為2.3 mA，在3 V時最大功耗為7.5 mW，在全功率關斷模式下功耗可降至小于3 μW，典型值為80 nA。這種低功耗特性使其在電池供電的應用中具有顯著優勢，能夠有效延長設備的續航時間。

2.2 高速串行接口

它采用了3線串行接口，兼容QSPI、SPI和Microwire等標準，時鐘速率最高可達30 MHz。這使得數據傳輸更加高效，能夠滿足高速應用的需求。

2.3 內部/外部參考選擇

AD7303支持內部和外部參考兩種模式。內部參考由VDD產生，外部參考則通過REF引腳輸入，參考電壓范圍為1 V至VDD/2。用戶可以根據實際需求靈活選擇參考模式，以滿足不同的應用場景。

2.4 獨立DAC電源關斷功能

每個DAC都具有獨立的電源關斷功能，用戶可以根據需要單獨關閉某個DAC，進一步降低功耗。當兩個DAC都關閉時，設備的電流消耗可降至小于1 μA。

2.5 軌到軌輸出

芯片內部的輸出緩沖放大器使DAC輸出能夠實現軌到軌擺動，輸出電壓范圍為0至VDD。同時，輸出放大器的壓擺率典型值為8 V/μs，在100 pF電容負載下，達到8位分辨率的滿量程建立時間典型值為1.2 μs。

三、技術參數詳解

3.1 靜態性能

• 分辨率：8位，能夠提供較為精細的模擬輸出。
• 相對精度：±1 LSB max，保證了輸出的準確性。
• 微分非線性：±1 LSB max，確保了輸出的單調性。
• 零碼誤差：在+25°C時為3 LSB typ，反映了零輸入時的輸出誤差。
• 滿量程誤差：包含了失調誤差，是衡量輸出誤差的重要指標。
• 增益誤差：在代碼15至245之間進行規定，實際在代碼15處的誤差典型值為3 LSB。

3.2 輸出特性

• 輸出電壓范圍：0至VDD，實現了軌到軌輸出。
• 輸出電壓建立時間：典型值為1.2 μs，能夠快速響應輸入信號的變化。
• 壓擺率：典型值為7.5 V/μs，反映了輸出電壓的變化速度。
• 數模毛刺脈沖：典型值為0.5 nV - s，衡量了數字輸入狀態變化時對模擬輸出的影響。
• 數字饋通：典型值為0.2 nV - s，體現了數字輸入對模擬輸出的干擾程度。
• 數字串擾：典型值為0.2 nV - s，反映了不同DAC之間的相互干擾。
• 模擬串擾：典型值為±0.2 LSB，衡量了一個DAC輸出變化對另一個DAC輸出的影響。
• 直流輸出阻抗：典型值為40 Ω，影響了輸出信號的驅動能力。
• 短路電流：典型值為14 mA，為電路保護提供了參考。
• 電源抑制比：典型值為0.0001 %/% max，反映了電源電壓變化對輸出的影響程度。

3.3 邏輯輸入

• 輸入電流：±10 μA max，對驅動電路的要求較低。
• 輸入低電壓：VINL在VDD = +5 V時為0.8 V max，在VDD = +3 V時為0.6 V max。
• 輸入高電壓：VINH在VDD = +5 V時為2.4 V min，在VDD = +3 V時為2.1 V min。
• 引腳電容：最大為5 pF，對信號傳輸的影響較小。

3.4 電源要求

• VDD：工作電壓范圍為2.7/5.5 V min/max。
• IDD（正常模式）：在VDD = 3.3 V @ +25°C時為2.1 mA max，在VDD = 5.5 V @ +25°C時為2.3 mA max。
• IDD（全功率關斷）：在+25°C時典型值為80 nA，最大值為1 μA。

四、工作原理

4.1 DAC架構

AD7303的架構由參考放大器、電流源DAC和電流 - 電壓轉換器組成。參考放大器提供穩定的參考電壓，電流源DAC根據輸入的數字代碼產生相應的電流，電流 - 電壓轉換器將電流轉換為電壓輸出。DAC A和DAC B的輸出都經過內部緩沖，輸出緩沖放大器具有軌到軌輸出特性，能夠驅動10 kΩ負載至VDD和地，以及100 pF電容至地。

4.2 參考選擇

參考選擇通過控制寄存器中的INT/EXT位實現。當選擇內部參考時，內部產生VDD/2的參考電壓，并通過REF引腳輸出，用于去耦。此時，外部參考不應連接到REF引腳。當選擇外部參考時，外部參考電壓通過REF引腳輸入，范圍為1.0 V至VDD/2。

4.3 串行接口

AD7303的串行接口為3線接口，包括SCLK（串行時鐘）、DIN（串行數據輸入）和SYNC（幀同步信號）。數據在串行時鐘的上升沿被時鐘輸入到16位的移位寄存器中，前8位為控制位，后8位為數據位。每個傳輸必須是16位的傳輸，數據以MSB優先的方式發送，可以一次進行16位寫入或兩次8位寫入。SPI和Microwire接口需要兩次8位傳輸，而QSPI接口可以編程為16位字傳輸。在時鐘輸入16位數據到移位寄存器后，SYNC的上升沿執行編程功能。DAC采用雙緩沖結構，允許其輸出同時更新。

4.4 控制位功能

4.5 上電復位

AD7303具有上電復位電路，在電源上電時，該電路將DAC保持在復位狀態，直到對DAC進行寫入操作。在復位狀態下，每個DAC的輸入寄存器被鎖存為全零，DAC寄存器處于透明模式，因此兩個DAC的輸出都保持在接地電位。

4.6 電源關斷特性

通過16位輸入字控制部分的兩個位，可以將AD7303置于低功耗模式。DAC A和DAC B可以單獨關斷。當兩個DAC都關斷時，設備的電流消耗降至小于1 μA。電源關斷時，參考偏置伺服環路、輸出放大器和相關線性電路都將關閉。在電源關斷模式下，輸出端看到的負載約為23 kΩ至地。數據寄存器的內容在電源關斷模式下不受影響。退出電源關斷的時間取決于電源關斷的類型，如果設備完全關斷，偏置發生器也會關斷，設備退出電源關斷模式的典型時間為13 μs；如果只有一個通道關斷，偏置發生器仍然活躍，該通道退出電源關斷模式的典型時間為1.6 μs。

五、應用電路

5.1 典型應用電路

當使用外部參考時，AD7303的參考范圍為1 V至VDD/2。對于5 V電源，可選擇AD780或REF192作為參考；對于3 V電源，可選擇AD589作為參考。電路中，從輸入到輸出有兩倍的增益。此外，AD7303也可以使用內部產生的VDD/2參考，參考選擇通過16位輸入字的INT/EXT位實現。內部參考選擇時，REF引腳會輸出VDD/2電壓，可使用0.1 μF電容進行去耦以降低噪聲。同時，AD7303也支持交流參考輸入，具有一定的乘法能力，乘法帶寬可達10 kHz。

5.2 雙極性操作

雖然AD7303設計用于單電源操作，但通過特定電路可以實現雙極性操作。例如，使用AD820或OP295作為輸出放大器，可實現輸出電壓范圍為 - 5 V < VO < +5 V的雙極性輸出。輸出電壓可根據輸入代碼和參考電壓進行計算，如在VREF = 2.5 V，R1 = R3 = 10 kΩ，R2 = R4 = 20 kΩ，VDD = 5 V的條件下，輸出電壓公式為VOUT = (10 × D / 256) - 5。

5.3 光隔離接口

AD7303的3線串行接口使其非常適合在過程控制和工業應用中產生精確電壓。由于噪聲、安全要求或距離等原因，可能需要將AD7303與控制器隔離，可使用光隔離器實現，隔離電壓可超過3 kV。在光隔離接口應用中，DIN、SCLK和SYNC由光耦合器驅動，參考使用內部VDD/2參考，并在REF引腳使用0.1 μF陶瓷電容進行去耦。

5.4 多DAC解碼

AD7303的SYNC引腳可用于解碼多個DAC。在系統中，所有DAC接收相同的串行時鐘和串行數據，但在任何時候只有一個DAC的SYNC信號有效，從而實現對多個DAC的訪問。可使用74HC139作為2 - 4線解碼器來選擇DAC。為防止時序錯誤，在編碼地址輸入狀態變化時，應將使能輸入置于非激活狀態。

5.5 數字可編程窗口檢測器

利用AD7303的兩個DAC可以實現數字可編程的上下限檢測器。將測試的上下限加載到DAC A和DAC B，通過CMP04設置限制。如果VIN輸入信號不在編程窗口內，LED將指示故障狀態。

5.6 可編程電流源

AD7303可作為可編程電流源的控制元件。在電路中，滿量程電流設置為1 mA，DAC的輸出電壓施加在4.7 kΩ的電流設置電阻和470 Ω的滿量程設置電阻上。反饋環路中可使用BC107或2N3904等晶體管，放大器可選擇AD820或OP295，它們具有軌到軌輸出特性。電流可根據數字輸入代碼和參考電壓進行計算，公式為I = 2 × VREF × D / (5E + 3 × 256) mA。

六、PCB設計注意事項

在設計AD7303的PCB時，為確保其額定性能，需要注意以下幾點：

6.1 電源和接地布局

• 模擬和數字部分應分開布局，分別限制在電路板的特定區域。
• 如果系統中有多個設備需要連接AGND和DGND，應僅在一點進行連接，星型接地點應盡可能靠近AD7303。
• AD7303的電源應進行充分的旁路，在電源引腳附近并聯10 μF和0.1 μF的電容。10 μF電容可選用鉭珠電容，0.1 μF電容應具有低等效串聯電阻（ESR）和等效串聯電感（ESI），如常見的陶瓷電容，以在高頻下提供低阻抗接地路徑，處理內部邏輯切換產生的瞬態電流。

6.2 信號布線

• 電源線路應使用盡可能寬的走線，以提供低阻抗路徑，減少電源線上的毛刺影響。
• 快速切換信號（如時鐘）應使用數字地進行屏蔽，避免向電路板的其他部分輻射噪聲，且不應靠近參考輸入走線。
• 避免數字和模擬信號交叉，電路板兩側的走線應相互垂直，以減少信號通過電路板的饋通影響。微帶技術是最佳選擇，但對于雙面電路板可能無法實現。在微帶技術中，電路板的元件面用作接地平面，信號走線位于焊接面。

七、總結

AD7303以其低功耗、高速串行接口、靈活的參考選擇和獨立的電源關斷功能等特點，成為電池供電便攜式設備和工業控制等領域的理想選擇。通過合理的電路設計和PCB布局，可以充分發揮其性能優勢，實現精確的數模轉換。你在使用AD7303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。