探秘AD7303：一款高性能8位雙電壓輸出DAC

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）是連接數(shù)字世界和模擬世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們就來(lái)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(diǎn)，非常適合電池供電的便攜式設(shè)備。該器件采用8引腳DIP、SOIC和microSOIC封裝，集成了兩個(gè)8位DAC，可實(shí)現(xiàn)雙路電壓輸出。

二、關(guān)鍵特性

2.1 低功耗設(shè)計(jì)

AD7303在3.3 V電壓下的功耗僅為2.3 mA，在3 V時(shí)最大功耗為7.5 mW，在全功率關(guān)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(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠有效延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)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(biāo)準(zhǔn)，時(shí)鐘速率最高可達(dá)30 MHz。這使得數(shù)據(jù)傳輸更加高效，能夠滿足高速應(yīng)用的需求。

2.3 內(nèi)部/外部參考選擇

AD7303支持內(nèi)部和外部參考兩種模式。內(nèi)部參考由VDD產(chǎn)生，外部參考則通過(guò)REF引腳輸入，參考電壓范圍為1 V至VDD/2。用戶可以根據(jù)實(shí)際需求靈活選擇參考模式，以滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

2.4 獨(dú)立DAC電源關(guān)斷功能

每個(gè)DAC都具有獨(dú)立的電源關(guān)斷功能，用戶可以根據(jù)需要單獨(dú)關(guān)閉某個(gè)DAC，進(jìn)一步降低功耗。當(dāng)兩個(gè)DAC都關(guān)閉時(shí)，設(shè)備的電流消耗可降至小于1 μA。

2.5 軌到軌輸出

芯片內(nèi)部的輸出緩沖放大器使DAC輸出能夠?qū)崿F(xiàn)軌到軌擺動(dòng)，輸出電壓范圍為0至VDD。同時(shí)，輸出放大器的壓擺率典型值為8 V/μs，在100 pF電容負(fù)載下，達(dá)到8位分辨率的滿量程建立時(shí)間典型值為1.2 μs。

三、技術(shù)參數(shù)詳解

3.1 靜態(tài)性能

• 分辨率：8位，能夠提供較為精細(xì)的模擬輸出。
• 相對(duì)精度：±1 LSB max，保證了輸出的準(zhǔn)確性。
• 微分非線性：±1 LSB max，確保了輸出的單調(diào)性。
• 零碼誤差：在+25°C時(shí)為3 LSB typ，反映了零輸入時(shí)的輸出誤差。
• 滿量程誤差：包含了失調(diào)誤差，是衡量輸出誤差的重要指標(biāo)。
• 增益誤差：在代碼15至245之間進(jìn)行規(guī)定，實(shí)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(shí)現(xiàn)了軌到軌輸出。
• 輸出電壓建立時(shí)間：典型值為1.2 μs，能夠快速響應(yīng)輸入信號(hào)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(shù)模毛刺脈沖：典型值為0.5 nV - s，衡量了數(shù)字輸入狀態(tài)變化時(shí)對(duì)模擬輸出的影響。
• 數(shù)字饋通：典型值為0.2 nV - s，體現(xiàn)了數(shù)字輸入對(duì)模擬輸出的干擾程度。
• 數(shù)字串?dāng)_：典型值為0.2 nV - s，反映了不同DAC之間的相互干擾。
• 模擬串?dāng)_：典型值為±0.2 LSB，衡量了一個(gè)DAC輸出變化對(duì)另一個(gè)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(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。
• 短路電流：典型值為14 mA，為電路保護(hù)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(duì)輸出的影響程度。

3.3 邏輯輸入

• 輸入電流：±10 μA max，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求較低。
• 輸入低電壓：VINL在VDD = +5 V時(shí)為0.8 V max，在VDD = +3 V時(shí)為0.6 V max。
• 輸入高電壓：VINH在VDD = +5 V時(shí)為2.4 V min，在VDD = +3 V時(shí)為2.1 V min。
• 引腳電容：最大為5 pF，對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戄^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(shí)為2.1 mA max，在VDD = 5.5 V @ +25°C時(shí)為2.3 mA max。
• IDD（全功率關(guān)斷）：在+25°C時(shí)典型值為80 nA，最大值為1 μA。

四、工作原理

4.1 DAC架構(gòu)

AD7303的架構(gòu)由參考放大器、電流源DAC和電流 - 電壓轉(zhuǎn)換器組成。參考放大器提供穩(wěn)定的參考電壓，電流源DAC根據(jù)輸入的數(shù)字代碼產(chǎn)生相應(yīng)的電流，電流 - 電壓轉(zhuǎn)換器將電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出。DAC A和DAC B的輸出都經(jīng)過(guò)內(nèi)部緩沖，輸出緩沖放大器具有軌到軌輸出特性，能夠驅(qū)動(dòng)10 kΩ負(fù)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(guò)控制寄存器中的INT/EXT位實(shí)現(xiàn)。當(dāng)選擇內(nèi)部參考時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生VDD/2的參考電壓，并通過(guò)REF引腳輸出，用于去耦。此時(shí)，外部參考不應(yīng)連接到REF引腳。當(dāng)選擇外部參考時(shí)，外部參考電壓通過(guò)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(shí)鐘）、DIN（串行數(shù)據(jù)輸入）和SYNC（幀同步信號(hào)）。數(shù)據(jù)在串行時(shí)鐘的上升沿被時(shí)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(shù)據(jù)位。每個(gè)傳輸必須是16位的傳輸，數(shù)據(jù)以MSB優(yōu)先的方式發(fā)送，可以一次進(jìn)行16位寫(xiě)入或兩次8位寫(xiě)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(shí)鐘輸入16位數(shù)據(jù)到移位寄存器后，SYNC的上升沿執(zhí)行編程功能。DAC采用雙緩沖結(jié)構(gòu)，允許其輸出同時(shí)更新。

4.4 控制位功能

4.5 上電復(fù)位

AD7303具有上電復(fù)位電路，在電源上電時(shí)，該電路將DAC保持在復(fù)位狀態(tài)，直到對(duì)DAC進(jìn)行寫(xiě)入操作。在復(fù)位狀態(tài)下，每個(gè)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(gè)DAC的輸出都保持在接地電位。

4.6 電源關(guān)斷特性

通過(guò)16位輸入字控制部分的兩個(gè)位，可以將AD7303置于低功耗模式。DAC A和DAC B可以單獨(dú)關(guān)斷。當(dāng)兩個(gè)DAC都關(guān)斷時(shí)，設(shè)備的電流消耗降至小于1 μA。電源關(guān)斷時(shí)，參考偏置伺服環(huán)路、輸出放大器和相關(guān)線性電路都將關(guān)閉。在電源關(guān)斷模式下，輸出端看到的負(fù)載約為23 kΩ至地。數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容在電源關(guān)斷模式下不受影響。退出電源關(guān)斷的時(shí)間取決于電源關(guān)斷的類型，如果設(shè)備完全關(guān)斷，偏置發(fā)生器也會(huì)關(guān)斷，設(shè)備退出電源關(guān)斷模式的典型時(shí)間為13 μs；如果只有一個(gè)通道關(guān)斷，偏置發(fā)生器仍然活躍，該通道退出電源關(guān)斷模式的典型時(shí)間為1.6 μs。

五、應(yīng)用電路

5.1 典型應(yīng)用電路

當(dāng)使用外部參考時(shí)，AD7303的參考范圍為1 V至VDD/2。對(duì)于5 V電源，可選擇AD780或REF192作為參考；對(duì)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(nèi)部產(chǎn)生的VDD/2參考，參考選擇通過(guò)16位輸入字的INT/EXT位實(shí)現(xiàn)。內(nèi)部參考選擇時(shí)，REF引腳會(huì)輸出VDD/2電壓，可使用0.1 μF電容進(jìn)行去耦以降低噪聲。同時(shí)，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(dá)10 kHz。

5.2 雙極性操作

雖然AD7303設(shè)計(jì)用于單電源操作，但通過(guò)特定電路可以實(shí)現(xiàn)雙極性操作。例如，使用AD820或OP295作為輸出放大器，可實(shí)現(xiàn)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(jù)輸入代碼和參考電壓進(jìn)行計(jì)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(guò)程控制和工業(yè)應(yīng)用中產(chǎn)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(shí)現(xiàn)，隔離電壓可超過(guò)3 kV。在光隔離接口應(yīng)用中，DIN、SCLK和SYNC由光耦合器驅(qū)動(dòng)，參考使用內(nèi)部VDD/2參考，并在REF引腳使用0.1 μF陶瓷電容進(jìn)行去耦。

5.4 多DAC解碼

AD7303的SYNC引腳可用于解碼多個(gè)DAC。在系統(tǒng)中，所有DAC接收相同的串行時(shí)鐘和串行數(shù)據(jù)，但在任何時(shí)候只有一個(gè)DAC的SYNC信號(hào)有效，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)DAC的訪問(wèn)。可使用74HC139作為2 - 4線解碼器來(lái)選擇DAC。為防止時(shí)序錯(cuò)誤，在編碼地址輸入狀態(tài)變化時(shí)，應(yīng)將使能輸入置于非激活狀態(tài)。

5.5 數(shù)字可編程窗口檢測(cè)器

利用AD7303的兩個(gè)DAC可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字可編程的上下限檢測(cè)器。將測(cè)試的上下限加載到DAC A和DAC B，通過(guò)CMP04設(shè)置限制。如果VIN輸入信號(hào)不在編程窗口內(nèi)，LED將指示故障狀態(tài)。

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(shè)置為1 mA，DAC的輸出電壓施加在4.7 kΩ的電流設(shè)置電阻和470 Ω的滿量程設(shè)置電阻上。反饋環(huán)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(jù)數(shù)字輸入代碼和參考電壓進(jìn)行計(jì)算，公式為I = 2 × VREF × D / (5E + 3 × 256) mA。

六、PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)AD7303的PCB時(shí)，為確保其額定性能，需要注意以下幾點(diǎn)：

6.1 電源和接地布局

• 模擬和數(shù)字部分應(yīng)分開(kāi)布局，分別限制在電路板的特定區(qū)域。
• 如果系統(tǒng)中有多個(gè)設(shè)備需要連接AGND和DGND，應(yīng)僅在一點(diǎn)進(jìn)行連接，星型接地點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近AD7303。
• AD7303的電源應(yīng)進(jìn)行充分的旁路，在電源引腳附近并聯(lián)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(yīng)具有低等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESI），如常見(jiàn)的陶瓷電容，以在高頻下提供低阻抗接地路徑，處理內(nèi)部邏輯切換產(chǎn)生的瞬態(tài)電流。

6.2 信號(hào)布線

• 電源線路應(yīng)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(hào)（如時(shí)鐘）應(yīng)使用數(shù)字地進(jìn)行屏蔽，避免向電路板的其他部分輻射噪聲，且不應(yīng)靠近參考輸入走線。
• 避免數(shù)字和模擬信號(hào)交叉，電路板兩側(cè)的走線應(yīng)相互垂直，以減少信號(hào)通過(guò)電路板的饋通影響。微帶技術(shù)是最佳選擇，但對(duì)于雙面電路板可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在微帶技術(shù)中，電路板的元件面用作接地平面，信號(hào)走線位于焊接面。

七、總結(jié)

AD7303以其低功耗、高速串行接口、靈活的參考選擇和獨(dú)立的電源關(guān)斷功能等特點(diǎn)，成為電池供電便攜式設(shè)備和工業(yè)控制等領(lǐng)域的理想選擇。通過(guò)合理的電路設(shè)計(jì)和PCB布局，可以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)精確的數(shù)模轉(zhuǎn)換。你在使用AD7303的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。