3V DAC在±10V中的应用
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。
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
图1.
图1a.
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。
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 big dac gain error 5 lsbs 1.00e + 00 lsb/lsb 5.0
u3 op07a opamp vos 25 µv -2.62e + 04 lsb/v 0.66
u3 op07a opamp ib 2 na 8.55e + 07 lsb/a 0.00
u4 op07a opamp vos 25 µv -2.29e + 04 lsb/v 0.57
u4 opo7a opamp ios 2 na 1.68e + 08 lsb/a .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
total 13.07
ref design component description error source error value error units sensitivity sensitivity units output error (lsbs/°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 0.5 µv/°c -2.62e + 04 lsb/v 1.57e - 02
u3 op07a opamp ios temp 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 opo7a opamp vos temp co µv/°c na -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 max5491a res network ratio temp co 5 ppm/°c 1.40e + 02 lsb/% 7.00e - 02
u6 max5491a res network ratio temp co 5 ppm/°c 4.09e + 01 lsb/% 2.05e - 02
total 1.26e - 01
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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。
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
图1.
图1a.
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。
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 big dac gain error 5 lsbs 1.00e + 00 lsb/lsb 5.0
u3 op07a opamp vos 25 µv -2.62e + 04 lsb/v 0.66
u3 op07a opamp ib 2 na 8.55e + 07 lsb/a 0.00
u4 op07a opamp vos 25 µv -2.29e + 04 lsb/v 0.57
u4 opo7a opamp ios 2 na 1.68e + 08 lsb/a .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
total 13.07
ref design component description error source error value error units sensitivity sensitivity units output error (lsbs/°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 0.5 µv/°c -2.62e + 04 lsb/v 1.57e - 02
u3 op07a opamp ios temp 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 opo7a opamp vos temp co µv/°c na -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 max5491a res network ratio temp co 5 ppm/°c 1.40e + 02 lsb/% 7.00e - 02
u6 max5491a res network ratio temp co 5 ppm/°c 4.09e + 01 lsb/% 2.05e - 02
total 1.26e - 01
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浅析振荡器的工作原理
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win10的WLS编译环境搭建
3V DAC在±10V中的应用
稳压电路各个部分的作用
高压电线采用三相三线制的原因是什么
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