3V DAC在±10V中的應(yīng)用

概述

使用3.3V電源供電的現(xiàn)代邏輯系統(tǒng)有時運行在工業(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。
外部負載可能要求一定的輸出電流驅(qū)動，或驅(qū)動容性負載，而±10V DAC無法達到這一需求。
電路框圖

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

DAC提供相對于基準點壓的數(shù)字至電壓轉(zhuǎn)換，偏置電路對DAC單極性傳遞函數(shù)進行調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生雙極性輸出，并可校準0V輸出點?；鶞示彌_器能夠為基準源提供負載隔離和失調(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，使輸出擺幅達到所需要求。另外，輸出緩沖器還提供一定的負載驅(qū)動能力。

電路說明

圖1和圖1a所示電路提供了一個將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。運算放大器的反相輸入端接+1.429V電壓，該電壓由基準和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生。運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：

基準源

2.5V基準既是DAC的參考電壓，也用于生成+1.429V電壓。這兩項功能使用了相同的基準源，因此，這兩個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作為主基準是由于該電壓非常通用，并且在3.3V、5V供電時均適用?？紤]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的零點轉(zhuǎn)換為-10V (負向滿量程)，將中間碼轉(zhuǎn)換為0V。這時DAC的中間碼誤差是零點失調(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，所以我們使用了數(shù)字電位器，對其零點輸出進行再次校準。

運算放大器

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

最大電壓擺幅
最大驅(qū)動電流
容性負載
短路保護
ESD保護
本例中，OP07A能夠為負載提供±10V/10mA的驅(qū)動，R1與C2網(wǎng)絡(luò)允許運算放大器驅(qū)動較大的容性負載。

影響系統(tǒng)精度的運算放大器參數(shù)有VOS (25µV)、IOS (2nA)。IB (2nA)的影響可以由R3、R4抵消。當運算放大器的每一輸入端等效電阻相同時，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基準電壓降至+1.429V，電阻網(wǎng)絡(luò)U6 (1:7比例)設(shè)置運算放大器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，這一點非常關(guān)鍵，因為U6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

對本電路進行PSPICE靈敏度分析，結(jié)果表明最大零點失調(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。當溫度變化100°C時，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)

表2. 敏感性分析，零輸出，溫度誤差(以LSB/°C為單位)