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(dòng),,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(dòng),或驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(huì)影響零失調(diào)電壓,,因此,共模誤差只會(huì)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(dòng)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(dòng),,R1與C2網(wǎng)絡(luò)允許運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)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(huì)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(chǔ)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 |