一文讀懂 MAX504/MAX515：低功耗 10 位串行 DAC 優(yōu)選

一、引言

在電子設(shè)計(jì)的世界里，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）就像是數(shù)字信號(hào)與模擬世界之間的橋梁。今天我們就來深入了解一下 MAXIM 推出的兩款低功耗、電壓輸出的 10 位串行 DAC——MAX504 和 MAX515。它們專為單 +5V 電源供電而設(shè)計(jì)，具有許多出色的特性，能滿足多種應(yīng)用場景的需求。

文件下載：MAX504.pdf

二、產(chǎn)品概述

2.1 基本特性

MAX504 和 MAX515 是低功耗、電壓輸出的 10 位 DAC。MAX504 還能在 ±5V 電源下工作，而 MAX515 僅需單 +5V 電源。MAX515 的供電電流僅 140μA，MAX504（帶內(nèi)部參考）也只需 260μA，非常適合對功耗要求較高的應(yīng)用。

2.2 封裝形式

MAX515 有 8 引腳 DIP 和 SO 封裝，MAX504 則采用 14 引腳 DIP 和 SO 封裝。這兩種器件都經(jīng)過了失調(diào)電壓、增益和線性度的調(diào)整，無需額外校準(zhǔn)，為工程師節(jié)省了調(diào)試時(shí)間。

2.3 輸出特性

MAX515 的緩沖器固定增益為 2，而 MAX504 的內(nèi)部運(yùn)算放大器可配置為增益 1 或 2，還能實(shí)現(xiàn)單極性或雙極性輸出電壓。此外，MAX504 無需外部電阻或運(yùn)算放大器，就能作為四象限乘法器使用。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

這兩款 DAC 的應(yīng)用范圍十分廣泛，涵蓋了電池供電的測試儀器、數(shù)字失調(diào)和增益調(diào)整、電池供電/遠(yuǎn)程工業(yè)控制、機(jī)器和運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備以及蜂窩電話等領(lǐng)域。這些應(yīng)用場景都對 DAC 的低功耗、高精度和穩(wěn)定性有較高要求，而 MAX504/MAX515 正好能滿足這些需求。大家在設(shè)計(jì)類似產(chǎn)品時(shí)，是否會(huì)優(yōu)先考慮這兩款 DAC 呢？

四、電氣特性

4.1 單 +5V 電源供電

在單 +5V 電源供電的情況下，它們具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。分辨率為 10 位，相對精度（INL）最大為 ±0.5 LSB，差分非線性（DNL）最大為 ±1 LSB，并且保證在整個(gè)溫度范圍內(nèi)單調(diào)。輸出電壓范圍可根據(jù)不同配置進(jìn)行調(diào)整，如 MAX504（增益為 1）的輸出范圍是 0 到 VDD - 0.4V，MAX504（增益為 2）和 MAX515 的輸出范圍是 0 到 VDD - 2V。

4.2 雙 ±5V 電源供電（僅 MAX504）

當(dāng) MAX504 使用雙 ±5V 電源供電時(shí)，同樣能保持較高的性能。其分辨率依然為 10 位，相對精度和差分非線性與單電源供電時(shí)相同。輸出電壓范圍會(huì)根據(jù)增益的不同而有所變化，如增益為 1 時(shí)，輸出范圍是 VSS + 2V 到 VDD - 2V；增益為 2 時(shí)，輸出范圍是 VSS + 0.4V 到 VDD - 0.4V。

五、典型工作特性

文檔中給出了多個(gè)典型工作特性曲線，如輸出源能力與輸出上拉電壓的關(guān)系、輸出灌電流能力與輸出下拉電壓的關(guān)系、模擬饋通與頻率的關(guān)系等。這些曲線能幫助工程師更好地了解器件在不同條件下的性能，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)。大家在實(shí)際應(yīng)用中，有沒有根據(jù)這些特性曲線來調(diào)整電路參數(shù)呢？

六、引腳說明

MAX504 和 MAX515 的引腳功能各有特點(diǎn)。例如，BIPOFF 引腳用于雙極性失調(diào)/增益電阻，DIN 為串行數(shù)據(jù)輸入，CS 是片選信號(hào)（低電平有效）等。了解這些引腳的功能，對于正確連接和使用器件至關(guān)重要。

七、詳細(xì)工作原理

7.1 DAC 轉(zhuǎn)換原理

MAX504/MAX515 使用“倒置”的 R - 2R 梯形網(wǎng)絡(luò)和單電源 CMOS 運(yùn)算放大器將 10 位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬電壓。內(nèi)部復(fù)位電路在電源上電時(shí)會(huì)將 DAC 寄存器復(fù)位為全 0，同時(shí)，CLR 引腳低電平可異步將 DAC 寄存器置為全 0。

7.2 緩沖放大器

輸出緩沖器是一個(gè)單位增益穩(wěn)定、軌到軌輸出的 BiCMOS 運(yùn)算放大器，輸入失調(diào)電壓和共模抑制比經(jīng)過調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于 10 位的性能。其建立時(shí)間為 25μs 到最終值的 0.01%，輸出具有短路保護(hù)功能，能驅(qū)動(dòng) 2kΩ 負(fù)載和超過 100pF 的負(fù)載電容。

7.3 內(nèi)部參考（僅 MAX504）

MAX504 的片上參考經(jīng)過激光調(diào)整，可在 REFOUT 引腳產(chǎn)生 2.048V 的電壓。輸出級(jí)能夠提供和吸收電流，以快速響應(yīng)代碼相關(guān)的負(fù)載變化。為了降低噪聲，可在 REFOUT 和 AGND 之間連接一個(gè) 33μF 的電容；若對噪聲要求不高，也可使用 3.3μF 以上的電容。

7.4 外部參考

在雙電源工作時(shí)，MAX504 可使用范圍在 (VSS + 2V) 到 (VDD - 2V) 的外部參考；單電源使用時(shí)，參考電壓必須為正且不超過 VDD - 2V。參考電壓決定了 DAC 的滿量程輸出。

7.5 邏輯接口

MAX504/MAX515 的邏輯輸入與 TTL 或 CMOS 邏輯電平兼容。為了實(shí)現(xiàn)最低功耗，建議使用軌到軌 CMOS 邏輯驅(qū)動(dòng)數(shù)字輸入。

7.6 串行時(shí)鐘和更新速率

MAX504/MAX515 的最大串行時(shí)鐘速率約為 14MHz，數(shù)字更新速率受片選周期限制，約為 877kHz。但考慮到 DAC 達(dá)到 10 位精度的建立時(shí)間為 25μs，全量程階躍轉(zhuǎn)換時(shí)的更新速率可能會(huì)限制到 40kHz。

八、應(yīng)用信息

8.1 串行接口

MAX504/MAX515 使用三線串行接口，與 SPI、QSPI（CPOL = CPHA = 0）和 Microwire 標(biāo)準(zhǔn)兼容。通過寫入兩個(gè) 8 位字來對 DAC 進(jìn)行編程，16 位串行數(shù)據(jù)按 4 個(gè)填充（虛擬）位、10 個(gè)數(shù)據(jù)位和 2 個(gè)次 LSB 0 的順序時(shí)鐘輸入。

8.2 級(jí)聯(lián)應(yīng)用

DOUT 引腳允許兩個(gè)或多個(gè) DAC 級(jí)聯(lián)。數(shù)據(jù)在 DIN 輸入后，會(huì)在 DOUT 輸出，延遲 16 個(gè)時(shí)鐘周期加一個(gè)時(shí)鐘寬度。為了保證正確的時(shí)序，需要確保 SCLK 低電平時(shí)間（tCL）大于 DOUT 有效傳播延遲（tDO）和 DIN 建立時(shí)間（tDS）之和。

8.3 不同配置模式

• 單極性配置：MAX504 通過不同的引腳連接可實(shí)現(xiàn)增益為 1 或 2 的單極性輸出。MAX515 內(nèi)部配置為單極性增益為 2 的操作。
• 雙極性配置：將 BIPOFF 連接到 REFIN，RFB 連接到 VOUT，并使用雙（±5V）電源，可實(shí)現(xiàn)雙極性輸出。
• 四象限乘法器：MAX504 可作為四象限乘法器使用，需要使用偏移二進(jìn)制數(shù)字代碼、雙極性電源和在 VSS + 2V 到 VDD - 2V 范圍內(nèi)的雙極性模擬輸入。

8.4 電源旁路和接地管理

為了獲得最佳系統(tǒng)性能，建議使用具有獨(dú)立模擬和數(shù)字接地平面的印刷電路板，并在低阻抗電源源處將兩個(gè)接地平面連接在一起。同時(shí)，使用 0.1μF 陶瓷電容對 VDD（雙電源模式下還有 VSS）進(jìn)行旁路，靠近器件安裝并使用短引腳。

8.5 節(jié)能措施

當(dāng)系統(tǒng)不使用 DAC 時(shí)，可通過設(shè)置適當(dāng)?shù)拇a來最小化負(fù)載電流，從而降低功耗。例如，在雙極性模式下，將 DAC 代碼設(shè)置為中值；無輸出負(fù)載時(shí)，將 DAC 設(shè)置為全 0（MAX504 可使用 CLR 引腳）。

九、總結(jié)

MAX504 和 MAX515 這兩款 10 位串行 DAC 以其低功耗、高精度和靈活的配置特性，為電子工程師在各種應(yīng)用場景中提供了可靠的選擇。無論是電池供電的設(shè)備，還是對精度要求較高的工業(yè)控制和測試儀器，它們都能發(fā)揮出色的性能。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇器件的配置和工作模式，同時(shí)注意電源旁路和接地管理等細(xì)節(jié)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。大家在使用這兩款 DAC 時(shí)，有沒有遇到過什么問題或者有什么獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評論區(qū)分享。