Анализ цифро-аналоговых преобразователей с последовательным интерфейсом SPI
Как отмечалось в первой части статьи, цифро-аналоговые преобразователи (DAC) с последовательным интерфейсом подразделяются на три группы: с интерфейсом SPI, с интерфейсом I2C (SMBus) и с другими интерфейсами. Технические данные на все выпускаемые фирмой MAXIM микросхемы (всех трех групп) приведены в таблицах 3 - 5 первой части статьи. Более всего выпускается микросхем с интерфейсом SPI - 109 типов микросхем, с интерфейсом I2C - 18 типов и с другими интерфейсами - всего пять типов.
Анализ параметров цифро-аналоговых преобразователей с последовательным интерфейсом SPI, приведенных в таблице 3, позволяет сделать следующие выводы:
Выпускаются микросхемы с разрядностью: 6 (одноканальные); 8, 10 и 12 (от 1 до 8 каналов); 13 (один или два канала); 14 (одноканальные); 16 (один или 32 канала).
Цифро-аналоговые преобразователи с разрядностью 6 находят ограниченное применение и не представляют интерес для широкого круга разработчиков. Тоже можно сказать и о цифро-аналоговых преобразователях с разрядностью 13 и выше.
Номенклатура питающих напряжений достаточно широка. Выпускаются микросхемы с двухполярным и однополярным питанием. Микросхемы с двухполярным питанием в современной технике имеют ограниченное применение. Микросхемы с однополярным питанием, в свою очередь, можно разделить на микросхемы с повышенным напряжением питания (как правило +12 В - +15 В), микросхемы с напряжением питания +5 В и выше, и микросхемы с пониженным напряжением питания, способные работать при напряжении питания от +2.5 В до +3.3 В или до +5 В (так называемая "белая" группа перспективных микросхем). Микросхемы с повышенным напряжением питания также представляют ограниченный интерес, т.е. их использование в современных изделиях обязывает разработчика использовать несколько питающих напряжений, что противоречит современной тенденции, заключающейся в сокращении номенклатуры питающих напряжений и их (напряжений) снижении. В основном в современных и вновь разрабатываемых изделиях широко используются микросхемы цифро-аналоговых преобразователей с напряжением питания от +2.7 В до +5 В. Причем изделия, работающие при пониженных напряжениях питания, считаются наиболее перспективными;
Рассматриваемая группа микросхем выпускается в корпусах типа PDIP, SO, QSOP, TSSOP. Большинство современных изделий выполняются на микросхемах в корпусах DIP. Это позволяет устанавливать микросхемы на панельки, что обеспечивает высокую ремонтопригодность и простую верификацию элементов схемы. Значительно реже, как правило, в узкоспециализированных изделиях, используются микросхемы в других типах корпусов SO, QSOP, TSSOP и т.п. Разработка изделий с микросхемами в таких корпусах требует высокого технологического уровня производства печатных плат и значительного опыта монтажных работ. В связи с вышесказанным ограничимся рассмотрением только микросхем, выпускаемых в корпусах DIP.
Таким образом, из 109 моделей микросхем, приведенных в таблице 3 первой статьи, только 33 микросхем соответствуют вышеописанным критериям. Основные параметры этих микросхем приведены в таблице 14.
Таблица 14
Практически все микросхемы, приведенные в таблице, имеют выход по напряжению. По току имеют выход только два типа микросхем MAX551/552 с напряжением питания 5 и 3 В соответственно. Эти же микросхемы имеют наименьший ток потребления (5 мкА) и наибольшее время установления, 80 и 120 нс соответственно. Только три типа микросхем имеют встроенный источник опорного напряжения, из них микросхема MAX548A использует в качестве источника опорного напряжения - напряжение питания. Учитывая, что все микросхемы имею один и тот же интерфейс, практически все они имеют одинаковые наименования выводов. Все микросхемы имеют сигналы SPI интерфейса: входной DIN, тактовый SCLK, сигнал выборки кристалла CS/, а некоторые микросхемы еще и выходной сигнал DOUT. Конечно все микросхемы имеют вводы положительного питания VDD, общий GND (AGND). Некоторые микросхемы, допускающие двухполярное питание, имеют еще ввод отрицательного питания VSS, который в случае работы в однополярном режиме, как правило, соединяется с общим выводом (GND). Поскольку все микросхемы (за исключением MAX548A) могут работать от внешнего источника опорного напряжения - все они имеют соответствующий вход REF. Следует отметить, что в некоторых многоканальных микросхемах цифро-аналоговых преобразователей входы источников опорного напряжения могут быть выполнены, как индивидуальные или сгруппированные. Соответственно, в этом случае микросхема может иметь не один, а несколько входов опорного напряжения. По числу встроенных каналов цифро-аналоговых преобразователей естественно имеется соответствующее количество выходов. Выпускаются микросхемы двух типов: с фиксированным и с устанавливаемым диапазоном выходного напряжения. В первом случае на каждый канал имеется только один выход. Во втором случае микросхемы кроме основного выхода имеют еще вход обратной связи. Конечно некоторые микросхемы имеют дополнительные функциональные возможности, и соответственно, дополнительные входы управления. К ним могу относиться входы сброса, входы записи в выходные регистры и т.п.
Довольно много типов микросхем, имеющих один или два канала, выпускается в корпусе DIP8. К ним относятся 8-битные микросхемы MAX548A/549A/550A/522, 10-битные MAX515/5354/5355 и 12-битные MAX538/539/551/552/5352/5352. Восьмибитные микросхемы MAX548A/549A/550A составляют одну серию, выпускаются в корпусе DIP8 с интерфейсом SPI, работающим до 10 МГц. Микросхема MAX550A имеет один выходной канал, а MAX548A/549A - два канала. Рабочий ток микросхем, складывающийся из тока потребления (указанного в табл.14) и тока опорного напряжения, обычно составляет 75 мкА на один DAC (при напряжении питания +2.5 В). В режиме экономии собственно DAC отключается от источника опорного напряжения, и рабочий ток снижается ниже 1 мкА. В двухканальных микросхемах каждый канал может быть переведен в режим экономии независимо. Микросхемы имеют двойную буферизацию входов, что позволяет обновлять напряжение на выходах DAC (в двухканальных микросхемах) асинхронно или синхронно. Микросхема MAX548A в качестве встроенного источника опорного напряжения использует напряжение питания. Указанная серия микросхем ориентирована на применение в устройствах с батарейным питанием. Микросхема MAX522 является более ранней моделью двухканального цифро-аналогового преобразователя, выпускаемого в корпусе DIP8 с интерфейсом SPI, работающим до 5 МГц. Функционально она соответствует описанной выше микросхеме MAX549A, однако имеет значительно больший рабочий ток и время установления. Микросхемы MAX515 и MAX538/539 являются ранними моделями 10- и 12-разрядных одноканальных цифро-аналоговых преобразователей. Они выпускаются с одинаковой разводкой выводов и имеют одинаковую структуру. Микросхемы MAX5354/5355 и MAX5352/5353 являются усовершенствованными (более чем в два раза снижено время установления) моделями 10- и 12-разрядных одноканальных цифро-аналоговых преобразователей. Причем модели MAX5354/5352 предназначены для приложений с напряжением питания +5 В, а модели MAX5355/5353 - для приложений с напряжением питания +3 В. Как уже указывалось выше, микросхемы MAX551/552 имеют токовый выход. Разводка выводов для всех микросхем, выпускаемых в корпусе DIP8, приведена в таблице 15.
Таблица 15
Четыре типа микросхем MAX512/513, MAX504 и MAX531 выпускаются в корпусе DIP14. Семейство микросхем MAX512/513 представляют собой трехканальный DAC с выходом по напряжению, выпускаемый в корпусе DIP14 и имеющий интерфейс SPI, работающий до частоты 5 МГц. Первые два цифро-аналоговых преобразователя имеют объединенный вход опорного напряжения и усиленный выход, третий цифро-аналоговый преобразователь имеет отдельный вход опорного напряжения и не умощненный выход. Микросхема MAX512 предназначена для питания напряжением +5 В, а микросхема MAX513 - предназначена для напряжения питания +3 В (+2,7 - +3.6В). Микросхемы разработаны специально для применения в системах с батарейным питанием. Микросхемы MAX504/531 представляют собой 10- и 12-разрядные цифро-аналоговые преобразователи со встроенным прецизионным источником опорного напряжения +2.048 В. Они имеют одинаковую структуру и разводку выводов. Разводка выводов всех микросхем, выпускаемых в корпусе DIP14, приведена в таблице 16.
Таблица 16
Ряд микросхем цифро-аналоговых преобразователей выпускается в корпусе DIP16. К ним относятся 8-битные четырехканальные микросхемы MAX510/533/534, 10-битные двухканальные MAX5158/5159 и 12-битные двухканальные MAX5154/5155/5156/5157. Разводка их выводов приведена в таблице 17. Микросхема MAX510 может работать как от одного источника напряжения, так и от двух источников +5 В. Еще одним ее отличием является то, что она имеет два входа опорного напряжения (по одному на два выходных канала). Микросхемы MAX533/534 могут работать только от одного источника питания 3 и 5 В соответственно. Они имеют только один вход опорного напряжения на все четыре канала. Кроме того, они имеют отдельный вход для перевода микросхемы в режим экономии и программируемый логический выход общего назначения. Микросхемы MAX5158/5159 (10-битные) и MAX5154/5155 (12-битные) имеют одинаковую внутреннюю структуру и совместимы по выводам. Микросхемы MAX5158/5154 предназначены для систем с питанием 5 В, две другие - для систем с батарейным питанием 3 В. Особенностью всех этих микросхем является возможность независимой коррекции начального смещения каждого из каналов, для чего предусмотрены специальные выводы (3, 14). Микросхемы MAX5156/5157 также предназначены для систем с питанием 5 и 3 В соответственно. Их структура и разводка выводов довольно близка к структуре и разводке выводов предыдущей группы, за исключением того, что они не имеют выводов коррекции смещения, а выводы (3,14) в них используются как входы обратной связи.
Таблица 17
Остальные микросхемы цифро-аналоговых преобразователей выпускается в корпусе DIP20. К ним относятся 8-битные четырехканальные микросхемы MAX509 и восьмиканальные MAX529, 10-битные четырехканальные MAX5250/5251 и 12-битные четырехканальные MAX525 и MAX5253. Особенностью микросхемы MAX509 является наличие четырех входов опорного напряжения (по числу каналов), а также наличие входа синхронизации загрузки LDAC/ для всех DAC. Микросхема восьмиканального 8-битного цифро-аналогового преобразователя MAX529 может работать как от одного напряжения питания +5 В, так и от двух напряжений +5 В. В этой микросхеме нетрадиционно выполнено подключение опорного напряжения - имеется четыре входа (по 2 на группу из 4 DAC). Причем один из входов задает высокий уровень опорного напряжения, а второй - низкий уровень. Выходной сигнал в этом случае будет изменяться не от нуля до опорного напряжения, а от нижнего опорного уровня до верхнего. Остальные четырехканальные микросхемы MAX5250/5251 (10-битные) и MAX525/5253 (12-битные) имеют одинаковую разводку выводов и внутреннюю структуру. Они имеют два входа опорного напряжения (один вход на два канала) и четыре индивидуальных входа обратной связи для каждого из каналов. Разводка выводов всех микросхем, выпускаемых в корпусе DIP20, приведена в таблице 18.
Таблица 18
Для сопоставления стоимости одного канала для различных микросхем, возьмем цены, приведенные в последней колонке таблицы 14, и разделим их на количество каналов в каждой микросхеме. Затем построим диаграммы для микросхем различной разрядности. Диаграммы соотношения стоимости приведены на рис.1, 2 и 3 для 8-, 10- и 12-битных микросхем соответственно.
Рис.1. Диаграммы соотношения стоимости канала 8-битных микросхем с интерфейсом SPI
>
Рис.2. Диаграммы соотношения стоимости канала 10-битных микросхем с интерфейсом SPI
>
Рис.3. Диаграммы соотношения стоимости канала 12-битных микросхем с интерфейсом SPI
>
Анализ диаграммы, представленной на рис.1 позволяет утверждать, что среди восьмиразрядных цифро-аналоговых преобразователей наиболее выгодно использование четырехканальных микросхем MAX533/534, затем восьмиканальной микросхемы MAX529, а затем - двухканальных микросхем MAX548/549. Среди 10-битных цифро-аналоговых преобразователей наиболее выгодно использование четырехканальных микросхем MAX5250/5251. А среди 12-битных DAC наиболее выгодным является использование четырехканальных микросхем MAX5253 и MAX525, а затем - двухканальных микросхем MAX5154-MAX5157.
Анализ цифро-аналоговых преобразователей с последовательным интерфейсом I2C (SMBus)
К таблице 4, приведенной в первой части статьи и содержащей микросхемы с интерфейсом I2C, применим те же критерии отбора, что и для микросхем с интерфейсом SPI. В результате поучим таблицу 19, содержащую всего 5 микросхем с интерфейсом I2C.
Таблица 19
Все отобранные микросхемы цифро-аналоговых преобразователей - восьмиразрядные, относятся к ранним разработкам фирмы MAXIM, все микросхемы только для систем с питанием +5 В. Микросхемы MAX517/518/519 относятся к одному семейству, имеют одинаковую внутреннюю структуру, отличающуюся только количеством каналов (для MAX517 - структура одноканальная, а для MAX518/519 - двухканальная). Не смотря на то, что микросхемы предназначены для систем с питанием от источника +5 В, они имеют достаточно малое потребление в режиме экономии (меньше 4 мкА). Кроме того, микросхема MAX518 не имеет входа опорного напряжения, и в качестве опорного напряжения используется напряжение питания +5 В. Микросхемы MAX520/521 также относятся к одному семейству и имеют однотипную структуру. Особенностью микросхемы MAX520 является то, что каждый из четырех каналов имеет индивидуальный вход опорного напряжения. В микросхеме MAX521 первые четыре канала имеют индивидуальные входы опорного напряжения, а вторые четыре канала - один объединенный вход опорного напряжения. Из всех рассмотренных в рамках данной статьи DAC, микросхема MAX521 имеет самую сложную внутреннюю структуру, показанную на рис.4.
Рис.4. Структура микросхемы 8-битного восьмиканального цифро-аналогового преобразователя MAX521
>
Разводка выводов всех отобранных микросхем с интерфейсом I2C приведена в таблице 20.
Таблица 20
Диаграммы соотношения стоимости одного канала для рассматриваемых микросхем с интерфейсом I2C приведены на рис.5. Сравнение рис.1-3 и 5 показывает, что микросхемы MAX520/521 имеют наилучшие стоимостные показатели, а с учетом того, что ток потребления микросхем MAX520 не превышает 20 мкА, они несомненно являются наиболее предпочтительными (по соотношению цена/качество) среди многоканальных восьмибитных микросхем.
Рис.5. Диаграммы соотношения стоимости канала 8-битных микросхем с интерфейсом I2C
>
Анализ цифро-аналоговых преобразователей с иными интерфейсами
Из микросхем третьей группы, приведенных в таблице 5 первой части статьи (с оригинальными интерфейсами, отличными от SPI и I2C), соответствуют нашим критериям только три микросхемы. Они приведенные в таблице 21.
Таблица 21
Микросхема MAX543 представляет собой 12-битный одноканальный цифро-аналоговый преобразователь с токовым выходом и оригинальными последовательным интерфейсом, способным работать с элементами оптической изоляции или последовательным портом микроконтроллера в синхронном режиме. Микросхема работает в широком диапазоне напряжений питания от 4,75 В до 15,75 В. Она совместима по входам с TTL логикой при питании +5 В и с CMOS логикой при питании +15 В. Опорное напряжение микросхемы может достигать +25 В относительно общего вывода GND. На рис.6 приведена типовая схема включения цифро-аналогового преобразователя с оптической изоляцией.
Рис.6. Типовая схема включения цифро-аналогового преобразователя MAX543 с оптической изоляцией
>
Микросхема MX7543 представляет собой прецизионный 12-битный цифро-аналоговый преобразователь, с оригинальным интерфейсом, способным работать с последовательным портом микроконтроллера в синхронном режиме. Особенностью этой микросхемы является наличие развитой логики на входах стробирования данных в сдвиговом и выходном регистрах.
Микросхема MAX514 представляет собой 12-битный четырехканальный цифро-аналоговый преобразователь с токовым выходом и оригинальными последовательным интерфейсом, способным работать с элементами оптической изоляции или последовательным портом микроконтроллера в синхронном режиме. Интерфейс аналогичен интерфейсу микросхемы MAX543.
Заключение
В рамках настоящего цикла статей, читатель ознакомился с современными достижениями фирмы MAXIM в области создания цифро-аналоговых преобразователей. В первой части статьи приведены основные технические характеристики всех выпускаемых в настоящее время микросхем DAC. Все выпускаемые типы микросхем приведены в пяти таблицах, содержащих сведения о микросхемах с различными типами интерфейсов: параллельным байтовым (табл.1), параллельным с разрядностью более байта (табл.2), последовательным SPI интерфейсом (табл.3), последовательным I2C интерфейсом (табл.4) и другими последовательными интерфейсами (табл.5). Вторая часть статьи посвящена рассмотрению особенностей и наиболее интересных микросхем с параллельными интерфейсами. Третья настоящая часть статьи посвящена микросхемам с последовательными интерфейсами. Автор надеется, что приведенный материал достаточен для создания у читателя достаточно полного представления о возможностях и особенностях современных микросхемах цифро-аналоговых преобразователей фирмы MAXIM.
Олег Николайчук,
onic@ch.moldpac.md

Ссылки по теме:

• Литература [1]

Источник: rtcs.ru