DAC5574低功耗、四通道、8位缓冲电压输出DAC

　　特征
　　•微操作：在3 V VDD下500Aμ
　　•快速更新率：188 kSPS
　　•每通道断电能力
　　•开机复位为零
　　•2.7-V至5.5-V模拟电源
　　•8位单调
　　•I2类™C接口高达3.4 Mbps
　　•数据传输能力
　　•片上输出缓冲放大器，轨对轨操作
　　•双缓冲输入寄存器
　　•最多支持四个DAC5574
　　•最多支持16个通道的同步更新
　　•在40–°C至105°C的温度下运行
　　•小型10铅MSOP包装
　　应用
　　•过程控制
　　•数据采集系统
　　•闭环伺服控制
　　•PC外围设备
　　•便携式仪器
　　说明
　　DAC5574是一种低功耗、四通道、8位缓冲电压输出DAC。其片内精密输出放大器可实现轨对轨输出摆幅。DAC5574采用I2C兼容的两线串行接口，支持高速接口模式，总线上总共16个通道的地址支持多达4个DAC5574。
　　DAC5574使用VDD和GND设置DAC的输出范围。DAC5574包含一个上电复位电路，该电路确保DAC输出在零伏时通电，并保持在零伏，直到对设备进行有效写入。DAC5574包含通过内部控制寄存器访问的每通道断电功能，在5 V时将设备的电流消耗降低到200毫安。
　　该部件在正常运行时的低功耗使其非常适合便携式电池供电设备。在VDD=5v时功耗小于3mW，在断电模式下降低到1Wμ。
　　ti提供了各种带有I2C接口的数据转换器。请参阅DACx57x系列16/12/10/8位、单通道和四通道DAC。另请参阅ADS7823和ADS1100、12位八进制信道和16位单信道ADC。
　　
　　这个集成电路可能被静电放电损坏。德州仪器公司建议在处理所有集成电路时采取适当的预防措施。不遵守正确的操作和安装程序可能导致损坏。
　　ESD损坏的范围从细微的性能下降到设备完全失效。精密集成电路可能更容易受到损坏，因为非常小的参数变化可能导致设备不符合其公布的规范。
　　典型特征
　　在TA=+25°C时，除非另有说明。
　　
　　绝对误差是对理想DAC特性的偏离。它包括偏移、增益和积分线性的影响。
　　操作理论
　　D/A段
　　DAC5574的结构由一个字符串DAC和一个输出缓冲放大器组成。图27显示了DAC架构的通用框图。
　　
　　DAC5574的输入编码为无符号二进制，其理想输出电压为：
　　
　　其中D=加载到DAC寄存器中的二进制代码的十进制等效值；范围从0到255。
　　电阻串
　　电阻串部分如图28所示。它基本上是一个除以2的电阻，然后是一个电阻串，每个电阻值为R。加载到DAC寄存器中的代码通过关闭一个开关将电压串连接到放大器，来确定在串上的哪个节点被抽头到输出放大器。因为架构由一串电阻组成，所以它被指定为单调的。
　　
　　输出放大器
　　输出缓冲器是一个增益为2的非转换放大器，能够在其输出上产生轨对轨电压，从而提供0V到VDD的输出范围。它能够驱动2 kΩ的负载，并与1000 pF并联至GND。从典型曲线可以看出输出放大器的源和汇容量。在输出空载的情况下，转换速率为1v/μs，半刻度稳定时间为6μs。
　　I2C接口
　　I2C是飞利浦半导体公司开发的2线串行接口（见I2C总线规范，版本2.119000年1月）。总线由具有上拉结构的数据线（SDA）和时钟线（SCL）组成。当总线空闲时，SDA和SCL线路都被拉高。所有I2C兼容设备通过开漏I/O引脚、SDA和SCL连接到I2C总线。主设备，通常是微控制器或数字信号处理器，控制总线。主机负责生成SCL信号和设备地址。主机还生成指示数据传输开始和停止的特定条件。从设备在主设备的控制下在总线上接收和/或发送数据。
　　DAC5574用作从机，支持I2C总线规范中定义的以下数据传输模式：标准模式（100 kbps）、快速模式（400 kbps）和高速模式（3.4 Mbps）。标准模式和快速模式的数据传输协议完全相同，因此在本文档中称为F/S模式。高速模式协议不同于F/S模式，称为H/S模式。DAC5574支持7位寻址；不支持10位寻址和一般呼叫地址。
　　F/S模式协议
　　•主机通过生成启动条件来启动数据传输。启动条件是当SCL为高时SDA线路上发生从高到低的转换，如图29所示。所有I2C兼容设备都应识别启动条件。
　　•然后，主机生成SCL脉冲，并在SDA线上传输7位地址和读/写方向位R/W。在所有传输过程中，主机确保数据有效。有效的数据条件要求SDA线在时钟脉冲的整个高周期内保持稳定（见图30）。所有设备都识别主设备发送的地址，并将其与内部固定地址进行比较。只有具有匹配地址的从设备通过在第9个SCL周期的整个高周期中将SDA线拉低来生成应答（见图31）。在检测到该应答时，主机知道与从机的通信链路已经建立。
　　•主机生成更多的SCL周期，以向从机发送数据（R/W位1）或从机接收数据（R/W位0）。在这两种情况下，接收机都需要确认发射机发送的数据。因此，确认信号可以由主设备或从设备产生，这取决于哪个设备是接收器。由8位数据和1位确认组成的9位有效数据序列可以在必要时继续。
　　•为了发出数据传输结束的信号，主机通过在SCL线路高的情况下将SDA线路从低拉到高来生成停止条件（见图29）。这将释放总线并停止与寻址从机的通信链路。所有I2C兼容设备必须识别停止条件。在接收到停止条件时，所有设备都知道总线被释放，它们等待一个开始条件，然后是一个匹配的地址。
　　H/S模式协议
　　•当总线空闲时，SDA和SCL线路都被上拉装置拉高。
　　•主机生成一个启动条件，后跟一个包含H/S主机代码00001XXX的有效串行字节。此传输以不超过400 Kbps的F/S模式进行。不允许任何设备确认H/S主代码，但所有设备必须识别该主代码并将其内部设置切换为支持3.4 Mbps的操作。
　　•然后，主机生成一个重复的启动条件（重复的启动条件与启动条件具有相同的定时）。在这种重复启动条件之后，协议与F/S模式相同，只是允许传输速度高达3.4 Mbps。停止条件结束H/S模式，并切换从设备的所有内部设置以支持F/S模式。不应使用停止条件，应使用重复的启动条件来确保总线处于H/S模式。
　　
　　
　　DAC5574 I2C更新序列
　　DAC5574需要一个启动条件、一个有效的I2C地址、一个控制字节、一个MSB字节和一个LSB字节才能进行一次更新。在接收到每个字节后，DAC5574通过在单时钟脉冲的高周期中将SDA线拉低来进行确认。有效的I2C地址选择DAC5574。控制字节设置所选DAC5574的操作模式。一旦控制字节选择了操作模式，DAC5574就需要MSB字节后跟LSB字节才能进行数据更新。DAC5574对LSB字节之后的确认信号的下降沿执行更新。
　　在需要更改操作模式之前，不需要重新发送控制字节。控制字节的位连续地确定所执行的更新的类型。因此，对于第一次更新，DAC5574需要一个启动条件、一个有效的I2C地址、一个控制字节、一个MSB字节和一个LSB字节。对于所有连续更新，只要控制命令保持不变，DAC5574就需要一个MSB字节和一个LSB字节。
　　使用I2C高速模式（fscl=3.4MHz），运行在3.4MHz的时钟，除第一次更新外，每个8位DAC更新可在18个时钟周期（MSB字节、确认信号、LSB字节、确认信号）内以188.88ksps的速度完成。使用快速模式（fscl=400khz），时钟运行在400khz，最大DAC更新速率限制在22.22ksps。一旦收到停止条件，DAC5574将释放I2C总线并等待新的启动条件。
　　上电复位
　　DAC5574包含上电复位电路，在上电期间控制输出电压。通电时，DAC寄存器充满零，输出电压为0v；在对DAC进行有效的写入序列之前，它一直保持在那里。这在应用程序中非常有用，因为在DAC通电过程中，了解其输出的状态非常重要。在使用电源之前，不应将设备引脚调高。
　　断电模式
　　DAC5574包含四种独立的断电操作模式。这些模式可通过MSB字节的两个最高有效位进行编程，而（CTRL［0］=PD0=1）。表8显示了这些位的状态如何对应于设备的操作模式。
　　
　　当（CTRL［0］=PD0=0）时，设备正常工作，其正常功耗为150微安，每通道5伏。然而，对于断电模式，电源电流在5 V时降至200毫安（在3 V时为50毫安）。不仅电源电流下降，而且输出级也从放大器的输出内部切换到具有已知值的电阻网络。这样做的优点是，在断电模式下，设备的输出阻抗是已知的。有三种不同的选择：输出通过1-kΩ电阻、100-kΩ电阻或左开路（高阻抗）在内部连接到GND。输出级如图37所示。
　　
　　当电源关闭模式启动时，所有线性电路关闭。但是，在断电时，DAC寄存器的内容不受影响。对于VDD=5 V，退出断电的时间通常为2.5微秒，对于VDD=3 V，退出断电的时间通常为5微秒。
　　DAC5574提供了一个基于通道寄存器操作的灵活掉电接口。通道由一个带断电电路的8位DAC、一个临时存储寄存器（TR）和一个DAC寄存器（DR）组成。TR和DR都是10位宽。两个m***表示断电条件，8个l***表示TR和DR的数据。通过TR和DR的位9和8，断电条件可以像数据一样临时存储和使用。当设置掉电标志（CTRL［0］=PD0）时，内部电路确保MSB［7］和MSB［6］被传输到TR［9］和TR［8］（DR［9］和DR［8］）。因此，DAC5574将断电条件视为数据，所有操作模式对断电仍然有效。可以向系统中的所有dac5574广播掉电条件，也可以在更新其他信道上的数据时同时断开信道的电源。
　　电流消耗
　　对于每个有源信道，DAC5574通常在VDD=5V时消耗150微安，在VDD=3V时消耗125微安，包括参考电流消耗。如果VIH《《VDD，数字输入端可能会出现额外的电流消耗。对于最有效的功率操作，建议在DAC的数字输入端使用CMOS逻辑电平。在断电模式下，典型的电流消耗为200毫安。
　　驱动阻容性负载
　　DAC5574输出级能够驱动高达1000 pF的负载，同时保持稳定。在偏移和增益误差范围内，DAC5574可以在驱动电容性负载时对钢轨进行操作。DAC5574可以驱动2KΩ的电阻负载，同时实现良好的负载调节。当DAC的输出在电阻负载下被驱动到正轨时，各个AB级输出级的PMOS晶体管可以进入线性区。当这种情况发生时，增加的红外电压降降低了DAC的线性性能。这只发生在DAC数字输入-电压输出传输特性的大约前20 mV范围内。
　　串扰
　　DAC5574架构为每个DAC通道使用单独的电阻串，以实现超低串扰性能。在相邻信道的满标度变化期间，在一个信道上看到的直流串扰通常小于0.0025 l***。测量的交流串扰（对于在一个通道上产生的满标度1 kHz正弦波输出，在剩余输出通道上测量）通常低于-100 dB。
　　输出电压稳定性
　　DAC5574在设备规定的温度范围内，显示出±3ppm/℃的典型输出电压漂移的良好温度稳定性。这使得每个通道的输出电压在±1°C的环境温度变化下保持在±25μV的窗口内。结合良好的直流噪声性能和真正的8位差分线性度，DAC5574成为闭环控制应用的完美选择。
　　解决时间和输出故障性能
　　对于输入端的满标度代码更改，在6微秒内可将时间调整到DAC5574的8位精确范围内。连续代码更改之间的最坏情况解决时间通常小于2微秒。DAC5574的高速串行接口旨在支持高达188 kSPS的更新速率。对于满标度输出波动，当驱动200 pF电容性负载时，每个DAC5574通道的输出级通常显示小于100 mV的过冲和过冲。考虑到代码到代码的转换不跨越Nx16代码边界，代码到代码的更改问题非常低（~10μV）。由于DAC5574的内部分段，在Nx16代码边界的每个交叉处都会出现代码到代码的问题。当N=15时，这些故障可接近100毫伏秒，但在~2微秒内解决。需要足够的旁路电容，以确保在电容性负载下解决10微秒。为了观察电阻负载条件下的稳定性能，电源（因此DAC5574参考电源）必须比DAC5574更快地稳定。
　　应用程序信息
　　以下各节给出了在各种应用中使用DAC5574的示例电路和提示。
　　基本连接
　　对于许多应用，连接DAC5574非常简单。DAC5574的基本连接图如图38所示。0.1μF旁路电容器有助于提供电源所需的瞬时额外电流。
　　
　　DAC5574直接与标准模式、快速模式和高速模式I2C控制器接口。任何微控制器的I2C外设，包括仅主I2C外设和非多主I2C外设，与DAC5574一起工作。DAC5574不执行时钟拉伸（即，它从不将时钟线拉低），因此除非其他设备位于同一I2C总线上，否则不必提供此功能。
　　SDA和SCL线路上都需要上拉电阻器，因为I2C总线驱动器是开漏的。这些电阻的大小取决于总线的运行速度和总线上的电容。高值电阻消耗较少的功率，但增加了总线上的转换时间，限制了总线速度。较低的电阻值允许较高的速度，但耗电量较高。长母线具有较高的电容，需要较小的上拉电阻进行补偿。如果上拉电阻太小，总线驱动器可能无法将总线拉低。
　　为I2C使用GPIO端口
　　大多数微控制器都有可编程的输入/输出管脚，可以在软件中设置为作为输入或输出。如果一个I2C控制器不可用，DAC5574可以连接到GPIO引脚，并且I2C总线协议在软件中模拟或敲打。图39显示了单个DAC5574的一个例子。
　　
　　通过将GPIO线设置为零并在输入和输出模式之间切换以应用适当的总线状态，可以使用GPIO管脚实现I2C的位碰撞。若要使线变低，则将管脚设置为输出零；若要使线变高，则将管脚设置为输入。当管脚设置为输入时，可以读取管脚的状态；如果另一个设备正在将线拉低，则在端口的输入寄存器中读取为零。
　　请注意，SCL线上没有显示上拉电阻器。在这种简单的情况下，不需要电阻。微控制器可以简单地将线路保持在输出状态，并根据需要将其设置为1或0。它可以做到这一点，因为DAC5574从不把它的时钟线调低。这项技术也可以用于多个器件，并且由于没有电阻拉升而具有低电流消耗的优点。
　　如果总线上有任何设备可能会使其时钟线降低，则不应使用上述方法。SCL线应为高Z或零，并像往常一样提供一个上拉电阻器。还要注意，这在任何情况下都不能在SDA线路上完成，因为DAC5574和所有I2C设备一样，不时地将SDA线路驱动得很低。
　　一些微控制器的GPIO端口内置了可选的强上拉电路。在某些情况下，可以打开这些开关，并用它们代替外部上拉电阻器。一些微控制器上也提供了弱上拉功能，但通常这些功能对于I2C通信来说太弱了。在投入生产前测试任何电路。
　　电源抑制
　　DAC5574的正参考电压输入与设备的电源引脚内部相连。这增加了I2C系统的灵活性，为低管脚数封装中额外的I2C地址管脚创造了空间。为了消除DAC输出端出现的电源噪声，用户必须密切注意DAC5574的供电方式。DAC5574的电源必须清洁，并进行良好的调节。为了获得最佳性能，建议使用精密电压基准向DAC5574供电。这相当于提供了一个设备的外部引用。由于DAC5574功耗低，负载调节误差可以忽略不计。为了避免在DAC5574的施密特触发输入端的过度功耗，精确的参考电压应该接近I2C总线上拉电压。对于3-V、3.3-V和5-V I2C总线上拉电压，分别推荐参考文献2930、参考文献2933和参考文献02。这些精确的电压基准可用于为系统上的多个设备供电。
　　使用REF02作为DAC5574的电源
　　由于DAC5574所需的极低电源电流，可能的配置是使用REF02+5V精密电压基准向DAC5574的电源输入和基准输入提供所需的电压，如图40所示。如果电源噪声很大，或者系统电源电压不是5 V，则这一点尤其有用。REF02为DAC5574输出稳定的电源电压。如果使用REF02，则需要向DAC5574提供的电流通常为600微安，对于VDD=5 V，则最大为900微安。加载DAC输出时，REF02还需要向负载提供电流。所需的总典型电流（单个DAC输出上有5-kΩ负载）为：600 μA + （5 V / 5 kΩ） = 1.6 mA
　　REF02的负载调节通常为0.005%/mA，这将导致从其吸取的1.6-mA电流的误差为400μV。这对应于0 V到5 V输出范围的0.02 LSB错误。
　　
　　布局
　　一个精确的模拟元件需要仔细的布局，足够的旁路，以及干净，良好的调节电源。
　　应用于VDD的电源应调节良好，噪声低。开关电源和dc/dc变换器经常在输出电压上出现高频故障或尖峰。此外，数字元件可以产生与其内部逻辑开关状态相似的高频峰值。这种噪声很容易通过电源连接和模拟输出之间的各种路径耦合到DAC输出电压中。
　　与GND连接一样，VDD应连接到与数字逻辑连接分离的正电源平面或轨迹，直到它们连接到电源入口点。此外，强烈建议使用1-1-10-fi电容器与0.1-fi旁路电容器并联。在某些情况下，可能需要额外的旁路，例如100μF的电解电容器，甚至是由电感和电容组成的Pi滤波器，它们都设计为基本上低通滤波器-5v电源，消除高频噪声。