CMOS 10 和 12 位乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的全面解析

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重要橋梁。今天，我們將深入探討 Maxim 公司的 CMOS 10 和 12 位乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換器 MX7520/MX7521，為電子工程師們提供全面的設(shè)計(jì)參考。

文件下載：MX7521.pdf

一、產(chǎn)品概述

MX7520/MX7521 是 Maxim 公司推出的 CMOS 10 和 12 位乘法數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可應(yīng)用于多種電子設(shè)備中，為模擬信號(hào)的生成提供了高精度的解決方案。

二、關(guān)鍵參數(shù)與特性

絕對(duì)最大額定值

該轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)最大額定值包括電源電壓（±25V）、數(shù)字輸入電壓相對(duì)于地（-0.3V 到 VDD）以及功耗（60mW）等。需要注意的是，超過這些額定值可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞，因此在設(shè)計(jì)中必須嚴(yán)格遵守。不同的工作溫度范圍也有所不同，工業(yè)級(jí)（JD/KD/LD/JO/KO/LQ）為 -25°C 到 +85°C。大家在實(shí)際應(yīng)用中，是否遇到過因?yàn)槌鲱~定值而導(dǎo)致設(shè)備損壞的情況呢？

電氣特性

1. 分辨率：MX7520 為 10 位，MX7521 為 12 位，分辨率決定了轉(zhuǎn)換器能夠輸出的最小模擬量變化，分辨率越高，輸出的模擬信號(hào)越精確。
2. 參考電壓范圍：參考電壓 (V_{REF}) 在 -10V 到 +10V 之間，在這個(gè)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換器具有不同的參數(shù)特性，如增益溫度系數(shù)（K/T）為 ±0.2% FSR（典型值 ±0.05% FSR），參考電壓溫度系數(shù)為 2ppm/°C 等。
3. 輸出特性：輸出電流（OUT1 或 OUT2）在 (T{A}=T{MIN}) 到 (T_{MAX}) 時(shí)，典型值為 200nA。輸出電容（COUT）在所有數(shù)字輸入為高電平時(shí)，OUT1 和 OUT2 分別為 120 和 37。輸出噪聲（en）、輸出電流建立時(shí)間（To 0.05% of FSR）等參數(shù)也對(duì)轉(zhuǎn)換器的性能有重要影響。
4. 電源抑制比（PSRR）：該參數(shù)反映了電源電壓變化對(duì)輸出信號(hào)的影響程度，在設(shè)計(jì)中需要考慮其對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
5. 輸入特性：數(shù)字輸入的低電平電壓（VINL）、輸入電流等參數(shù)也有明確規(guī)定，輸入編碼支持單極性（Binary）和雙極性（Offset Binary）兩種方式。

三、工作模式與電路設(shè)計(jì)

單極性操作

在單極性操作中，輸出運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓會(huì)影響 DAC 的線性度，通常線性度誤差約為 2/3Vos。為了獲得最佳性能，建議使用低失調(diào)放大器（如 MAX400），或者將放大器的失調(diào)電壓調(diào)整到不超過 1/10 個(gè) LSB 的值。同時(shí)，運(yùn)算放大器的輸入偏置電流（(I{B})）也會(huì)產(chǎn)生偏移誤差，因此 (I{B}) 應(yīng)遠(yuǎn)小于 DAC 輸出 1 個(gè) LSB 對(duì)應(yīng)的電流（MX7520 典型值為 1μA，MX7521 典型值為 250nA）。大家在實(shí)際設(shè)計(jì)中，是如何處理失調(diào)電壓和偏置電流問題的呢？

雙極性操作

雙極性操作（四象限乘法）需要一個(gè)額外的放大器和三個(gè)匹配電阻。通過特定的代碼表（如 MX7520 的雙極性操作代碼表）來控制輸出。在調(diào)整電路時(shí)，可以通過加載特定代碼（如 1000 00000000）并調(diào)整電阻（如 R1）來實(shí)現(xiàn) 0V 輸出，也可以通過調(diào)整 R3 和 R4 的比例來實(shí)現(xiàn)零調(diào)整。滿量程調(diào)整可以通過加載全“0”或全“1”代碼，并調(diào)整 (V_{REF}) 的幅度或改變 R5 來實(shí)現(xiàn)。

電壓模式（單電源）

MX7520 在電壓模式下，OUT1 連接到外部參考，OUT2 接地，(V{REF}) 作為 DAC 輸出，具有恒定的輸出電阻 (R{ladder})（標(biāo)稱值 10kΩ）。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)電路可以采用單電源供電，不需要負(fù)參考電壓來獲得正輸出。但需要注意的是，參考電壓范圍受到限制，當(dāng) (V_{DD}) 為 15V 時(shí)，參考輸入電壓（OUT1 處的電壓）必須為正且不超過 3.5V，否則線性度會(huì)下降。

四、動(dòng)態(tài)考慮因素

在靜態(tài)或直流應(yīng)用中，輸出放大器的交流特性不是關(guān)鍵因素。但在高速應(yīng)用中，當(dāng)參考輸入為交流信號(hào)或 DAC 輸出需要快速穩(wěn)定到新的編程值時(shí)，就必須考慮輸出運(yùn)算放大器的交流參數(shù)。此外，動(dòng)態(tài)應(yīng)用中的另一個(gè)誤差源是信號(hào)從 (V{REF}) 端子到 OUT1 或 OUT2 的寄生耦合，以及數(shù)字輸入切換時(shí)注入到 DAC 輸出的信號(hào)（數(shù)字饋通）。這些問題主要與電路板布局和芯片內(nèi)部電容耦合有關(guān)，可以通過在數(shù)字輸入、(V{REF}) 和 DAC 輸出之間設(shè)置保護(hù)走線來最小化布局引起的饋通。大家在高速應(yīng)用設(shè)計(jì)中，是如何解決這些動(dòng)態(tài)問題的呢？

五、封裝信息

該轉(zhuǎn)換器提供多種封裝形式，包括塑料雙列直插式封裝（Plastic DIP）、寬小外形封裝（Wide SO）、陶瓷雙列直插式封裝（CERDIP）和陶瓷側(cè)焊封裝（Ceramic SB）等。不同封裝的尺寸和引腳數(shù)量有所不同，在設(shè)計(jì) PCB 時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的封裝。大家在選擇封裝時(shí)，主要考慮哪些因素呢？

總之，MX7520/MX7521 是一款性能優(yōu)良的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，但在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求，充分考慮各項(xiàng)參數(shù)和工作模式，合理設(shè)計(jì)電路，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高精度。希望本文能為大家在使用這款轉(zhuǎn)換器時(shí)提供有益的參考。