3V DAC在±10V中的應(yīng)用

摘要：大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中的電子器件通常采用3.3V或更低的電壓供電，但有時(shí)還需提供±10V的電壓驅(qū)動外部負(fù)載(工業(yè)應(yīng)用中非常普遍)。盡管有些數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)能夠以±10V的擺幅驅(qū)動負(fù)載，但在某些場合仍然使用3.3V的DAC，然后通過放大器將電壓放大至±10V。

概述

使用3.3V電源供電的現(xiàn)代邏輯系統(tǒng)有時(shí)運(yùn)行在工業(yè)環(huán)境，可能需要±10V的電壓驅(qū)動，例如PLC、發(fā)送器、電機(jī)控制等。滿足這一需求的一種方法是選擇能夠提供±10V電壓擺幅的DAC，但更好的方法是使用3.3V的DAC，然后將其輸出放大到±10V，理由是：

• 3.3V DAC比±10V DAC具有更高的邏輯完整性。
• 3.3V DAC具有更高速率的邏輯接口，可以解脫微控制器部分任務(wù)使其處理其它工作。
• DAC有可能集成在一個(gè)大規(guī)模、3.3V供電的芯片內(nèi)(如微控制器)，無法提供±10V輸出擺幅。
• 外部負(fù)載可能要求一定的輸出電流驅(qū)動，或驅(qū)動容性負(fù)載，而±10V DAC無法達(dá)到這一需求。

電路框圖

電路框圖如圖1a所示，包含五個(gè)主要部分：DAC、基準(zhǔn)源、偏置調(diào)節(jié)、基準(zhǔn)源緩沖器與輸出緩沖器。

DAC提供相對于基準(zhǔn)點(diǎn)壓的數(shù)字至電壓轉(zhuǎn)換，偏置電路對DAC單極性傳遞函數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生雙極性輸出，并可校準(zhǔn)0V輸出點(diǎn)?；鶞?zhǔn)緩沖器能夠?yàn)榛鶞?zhǔn)源提供負(fù)載隔離和失調(diào)調(diào)節(jié)。輸出緩沖器將偏置電壓疊加到信號上，并提供所需的增益，使輸出擺幅達(dá)到所需要求。另外，輸出緩沖器還提供一定的負(fù)載驅(qū)動能力。

電路說明

圖1和圖1a所示電路提供了一個(gè)將3.3V供電、16位DAC輸出通過放大獲得±10V輸出擺幅的方案。DAC (U2)輸出范圍：0至2.5V，連接至運(yùn)算放大器U3的同相輸入端。放大器提供(1 + 26.25k/3.75k)或8倍的同相增益。運(yùn)算放大器的反相輸入端接+1.429V電壓，該電壓由基準(zhǔn)和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生。運(yùn)算放大器對反相輸入的增益為-(26.25k/3.75k)或-7。DAC的0V輸出對應(yīng)于最大負(fù)向電壓：(0 x 8 ) - (7 x 1.429) = -10V。DAC的滿量程輸出2.5V對應(yīng)于最大正向電壓：(2.5 x 8) - (7 x 1.429) = +10V。


圖1.


圖1a.

電路包括以下器件：

• U1：MAX6133A，2.5V基準(zhǔn)源
• U2：MAX5443，16位、3.3V供電串行DAC
• U3與U4：OP07A，精密運(yùn)算放大器，±15V供電
• U5：MAX5491A，帶有ESD保護(hù)的精密電阻網(wǎng)絡(luò)，3:4分壓比
• U6：MAX5491A，帶有ESD保護(hù)的精密電阻網(wǎng)絡(luò)，1:7分壓比
• U7：MAX5423，100k、256級、非易失數(shù)字電位器

基準(zhǔn)源

2.5V基準(zhǔn)既是DAC的參考電壓，也用于生成+1.429V電壓。這兩項(xiàng)功能使用了相同的基準(zhǔn)源，因此，這兩個(gè)電壓間的任何跟蹤誤差都會影響零失調(diào)電壓，因此，共模誤差只會影響輸出的滿量程增益，而增益一般不是非常關(guān)鍵的參數(shù)。選擇2.5V作為主基準(zhǔn)是由于該電壓非常通用，并且在3.3V、5V供電時(shí)均適用。考慮到器件本身的優(yōu)異性能，我們選擇了小尺寸μMAX?封裝MAX6133A。該器件的重要參數(shù)包括：輸出電壓精度(±0.06%)、溫度系數(shù)(7ppm/°C)和長期穩(wěn)定性(145ppm/1kHrs)。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器

工業(yè)控制應(yīng)用中最重要的參數(shù)是零點(diǎn)失調(diào)誤差，本例中MAX5443的單極性輸出具有±2 LSB失調(diào)誤差和±10 LSB的增益誤差。這些指標(biāo)足以滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求，為了將DAC輸出轉(zhuǎn)成雙極性信號，通常采用偏置電路將DAC的零點(diǎn)轉(zhuǎn)換為-10V (負(fù)向滿量程)，將中間碼轉(zhuǎn)換為0V。這時(shí)DAC的中間碼誤差是零點(diǎn)失調(diào)與增益誤差之和，而非±2 LSB。有些應(yīng)用或許不能接受這一指標(biāo)，所以我們使用了數(shù)字電位器，對其零點(diǎn)輸出進(jìn)行再次校準(zhǔn)。

運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器U4作為基準(zhǔn)緩沖器放置在基準(zhǔn)分壓電阻網(wǎng)絡(luò)(U5)與運(yùn)算放大器(U3)增益電阻網(wǎng)絡(luò)之間。如果系統(tǒng)中使用了一個(gè)以上的DAC，這些DAC可以共用該緩沖器輸出。運(yùn)算放大器U3對DAC電壓進(jìn)行放大，并為其提供偏置。該運(yùn)算放大器的選擇與配置由負(fù)載需求決定。應(yīng)考慮以下指標(biāo)：

• 最大電壓擺幅
• 最大驅(qū)動電流
• 容性負(fù)載
• 短路保護(hù)
• ESD保護(hù)

本例中，OP07A能夠?yàn)樨?fù)載提供±10V/10mA的驅(qū)動，R1與C2網(wǎng)絡(luò)允許運(yùn)算放大器驅(qū)動較大的容性負(fù)載。

影響系統(tǒng)精度的運(yùn)算放大器參數(shù)有VOS (25μV)、IOS (2nA)。IB (2nA)的影響可以由R3、R4抵消。當(dāng)運(yùn)算放大器的每一輸入端等效電阻相同時(shí)，可以消除IB的影響。OP07A的0.1V/μS擺率可能限制系統(tǒng)擺率，但在工業(yè)控制應(yīng)用中往往不存在問題。

電阻網(wǎng)絡(luò)

電阻網(wǎng)絡(luò)U5 (3:4比例)將+2.5V基準(zhǔn)電壓降至+1.429V，電阻網(wǎng)絡(luò)U6 (1:7比例)設(shè)置運(yùn)算放大器U3的增益。比較重要的參數(shù)是初始比例誤差(0.035%)和比例溫度系數(shù)(5ppm/°C)。選擇MAX5491是由于該器件具有±2kV的ESD保護(hù)，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵，因?yàn)閁6的一端可能會暴露在板外，需承受ESD放電的沖擊。

數(shù)字電位器

本系統(tǒng)使用256級數(shù)字電位器MAX5434調(diào)節(jié)零點(diǎn)失調(diào)誤差，該器件具有非易失存儲器，能夠在電源關(guān)閉后保持失調(diào)值。U7、U5與R2組成的電阻網(wǎng)絡(luò)可在0V提供大約±100 LSB的調(diào)節(jié)范圍。

分析

對本電路進(jìn)行PSPICE靈敏度分析，結(jié)果表明最大零點(diǎn)失調(diào)誤差為13 LSB，利用數(shù)字電位器可以修正該誤差。溫度分析結(jié)果表明總的溫漂誤差為0.126 LSB/°C。當(dāng)溫度變化100°C時(shí)，存在12.6 LSB的失調(diào)誤差。對于絕大多數(shù)應(yīng)用在允許范圍之內(nèi)。

表1. 靈敏度分析，零輸出，初始誤差(以LSB為單位)

Ref Design	Component	Description	Error Source	Error Value	Error Units	Sensitivity	Sensitivity Units	Output Error (LSBs)
U1	MAX6133A	2.5V Ref	Output Accuracy	0.06	%	-2.74E - 04	LSBs/%	0.00
U2	MAX5443	16 bit DAC	Gain Error	5	LSBs	1.00E + 00	LSB/LSB	5.00
U3	OP07A	OpAMp	VOS	25	μV	-2.62E + 04	LSB/V	0.66
U3	OP07A	OpAMp	IOS	2	nA	8.55E + 07	LSB/A	0.17
U3	OP07A	OpAMp	IB	2	nA	1.08E + 06	LSB/A	0.00
U4	OP07A	OpAMp	VOS	25	μV	-2.29E + 04	LSB/V	0.57
U4	OP07A	OpAMp	IOS	2	nA	1.68E + 08	LSB/A	0.34
U4	OP07A	OpAMp	IB	2	nA	8.10E + 03	LSB/A	0.00
U5	MAX5491A	Res Network	Ratio Tolerance	0.035	%	1.40E + 02	LSB/%	4.90
U6	MAX5491A	Res Network	Ratio Tolerance	0.035	%	4.09E + 01	LSB/%	1.43
Total								13.07

表2. 敏感性分析，零輸出，溫度誤差(以LSB/°C為單位)

Ref Design	Component	Description	Error Source	Error Value	Error Units	Sensitivity	Sensitivity Units	Output Error (LSB/°C)
U1	MAX6133A	2.5V Ref	Output Temp Co	7	ppm/°C	2.74E - 04	LSBs/%	1.92E - 07
U2	MAX5443	16 bit DAC	Gain Temp Co	0.1	ppm/°C	5.00E - 02	LSB/%	5.00E - 07
U3	OP07A	OpAMp	VOS Temp Co	0.6	μV/°C	-2.62E + 04	LSB/V	1.57E - 02
U3	OP07A	OpAMp	IOS Temp Co	25	pA/°C	8.55E + 07	LSB/A	2.14E-03
U3	OP07A	OpAMp	IB Temp Co	25	pA/°C	1.08E + 06	LSB/A	2.70E - 05
U4	OP07A	OpAMp	VOS Temp Co	0.6	μV/°C	-2.29E + 04	LSB/V	1.38E - 02
U4	OP07A	OpAMp	IB Temp Co	25	pA/°C	1.68E + 08	LSB/A	4.20E - 03
U4	OP07A	OpAMp	IB Temp Co	25	pA/°C	8.10E + 03	LSB/A	2.02E - 07
U5	MAX5491A	Res Network	Ratio Temp Co	5	ppm/°C	1.40E + 02	LSB/%	7.00E - 02
U6	MAX5491A	Res Network	Ratio Tamp Co	5	ppm/°C	4.09E + 01	LSB/%	2.05E - 02
Total								1.26E-01