3V DAC在±10V中的应用

摘要：大多数现代系统中的电子器件通常采用3.3V或更低的电压供电，但有时还需提供±10V的电压驱动外部负载(工业应用中非常普遍)。尽管有些数/模转换器(DAC)能够以±10V的摆幅驱动负载，但在某些场合仍然使用3.3V的DAC，然后通过放大器将电压放大至±10V。

概述

使用3.3V电源供电的现代逻辑系统有时运行在工业环境，可能需要±10V的电压驱动，例如PLC、发送器、电机控制等。满足这一需求的一种方法是选择能够提供±10V电压摆幅的DAC，但更好的方法是使用3.3V的DAC，然后将其输出放大到±10V，理由是：

• 3.3V DAC比±10V DAC具有更高的逻辑完整性。
• 3.3V DAC具有更高速率的逻辑接口，可以解脱微控制器部分任务使其处理其它工作。
• DAC有可能集成在一个大规模、3.3V供电的芯片内(如微控制器)，无法提供±10V输出摆幅。
• 外部负载可能要求一定的输出电流驱动，或驱动容性负载，而±10V DAC无法达到这一需求。

电路框图

电路框图如图1a所示，包含五个主要部分：DAC、基准源、偏置调节、基准源缓冲器与输出缓冲器。

DAC提供相对于基准点压的数字至电压转换，偏置电路对DAC单极性传递函数进行调节，以产生双极性输出，并可校准0V输出点。基准缓冲器能够为基准源提供负载隔离和失调调节。输出缓冲器将偏置电压叠加到信号上，并提供所需的增益，使输出摆幅达到所需要求。另外，输出缓冲器还提供一定的负载驱动能力。

电路说明

图1和图1a所示电路提供了一个将3.3V供电、16位DAC输出通过放大获得±10V输出摆幅的方案。DAC (U2)输出范围：0至2.5V，连接至运算放大器U3的同相输入端。放大器提供(1 + 26.25k/3.75k)或8倍的同相增益。运算放大器的反相输入端接+1.429V电压，该电压由基准和电阻分压网络产生。运算放大器对反相输入的增益为-(26.25k/3.75k)或-7。DAC的0V输出对应于最大负向电压：(0 x 8 ) - (7 x 1.429) = -10V。DAC的满量程输出2.5V对应于最大正向电压：(2.5 x 8) - (7 x 1.429) = +10V。


图1.


图1a.

电路包括以下器件：

• U1：MAX6133A，2.5V基准源
• U2：MAX5443，16位、3.3V供电串行DAC
• U3与U4：OP07A，精密运算放大器，±15V供电
• U5：MAX5491A，带有ESD保护的精密电阻网络，3:4分压比
• U6：MAX5491A，带有ESD保护的精密电阻网络，1:7分压比
• U7：MAX5423，100k、256级、非易失数字电位器

基准源

2.5V基准既是DAC的参考电压，也用于生成+1.429V电压。这两项功能使用了相同的基准源，因此，这两个电压间的任何跟踪误差都会影响零失调电压，因此，共模误差只会影响输出的满量程增益，而增益一般不是非常关键的参数。选择2.5V作为主基准是由于该电压非常通用，并且在3.3V、5V供电时均适用。考虑到器件本身的优异性能，我们选择了小尺寸µMAX®封装MAX6133A。该器件的重要参数包括：输出电压精度(±0.06%)、温度系数(7ppm/°C)和长期稳定性(145ppm/1kHrs)。

数模转换器

工业控制应用中最重要的参数是零点失调误差，本例中MAX5443的单极性输出具有±2 LSB失调误差和±10 LSB的增益误差。这些指标足以满足大多数应用的需求，为了将DAC输出转成双极性信号，通常采用偏置电路将DAC的零点转换为-10V (负向满量程)，将中间码转换为0V。这时DAC的中间码误差是零点失调与增益误差之和，而非±2 LSB。有些应用或许不能接受这一指标，所以我们使用了数字电位器，对其零点输出进行再次校准。

运算放大器

运算放大器U4作为基准缓冲器放置在基准分压电阻网络(U5)与运算放大器(U3)增益电阻网络之间。如果系统中使用了一个以上的DAC，这些DAC可以共用该缓冲器输出。运算放大器U3对DAC电压进行放大，并为其提供偏置。该运算放大器的选择与配置由负载需求决定。应考虑以下指标：

• 最大电压摆幅
• 最大驱动电流
• 容性负载
• 短路保护
• ESD保护

本例中，OP07A能够为负载提供±10V/10mA的驱动，R1与C2网络允许运算放大器驱动较大的容性负载。

影响系统精度的运算放大器参数有VOS (25µV)、IOS (2nA)。IB (2nA)的影响可以由R3、R4抵消。当运算放大器的每一输入端等效电阻相同时，可以消除IB的影响。OP07A的0.1V/µS摆率可能限制系统摆率，但在工业控制应用中往往不存在问题。

电阻网络

电阻网络U5 (3:4比例)将+2.5V基准电压降至+1.429V，电阻网络U6 (1:7比例)设置运算放大器U3的增益。比较重要的参数是初始比例误差(0.035%)和比例温度系数(5ppm/°C)。选择MAX5491是由于该器件具有±2kV的ESD保护，这一点非常关键，因为U6的一端可能会暴露在板外，需承受ESD放电的冲击。

数字电位器

本系统使用256级数字电位器MAX5434调节零点失调误差，该器件具有非易失存储器，能够在电源关闭后保持失调值。U7、U5与R2组成的电阻网络可在0V提供大约±100 LSB的调节范围。

分析

对本电路进行PSPICE灵敏度分析，结果表明最大零点失调误差为13 LSB，利用数字电位器可以修正该误差。温度分析结果表明总的温漂误差为0.126 LSB/°C。当温度变化100°C时，存在12.6 LSB的失调误差。对于绝大多数应用在允许范围之内。

表1. 灵敏度分析，零输出，初始误差(以LSB为单位)

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，零输出，温度误差(以LSB/°C为单位)

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