摘要：大多數現代系統中的電子器件通常采用3.3V或更低的電壓供電，但有時還需提供±10V的電壓驅動外部負載(工業應用中非常普遍)。盡管有些數/模轉換器(DAC)能夠以±10V的擺幅驅動負載，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電源供電的現代邏輯系統有時運行在工業環境，可能需要±10V的電壓驅動，例如PLC、發送器、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使其處理其它工作。
• DAC有可能集成在一個大規模、3.3V供電的芯片內(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動，或驅動容性負載，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、偏置調節、基準源緩沖器與輸出緩沖器。

DAC提供相對于基準點壓的數字至電壓轉換，偏置電路對DAC單極性傳遞函數進行調節，以產生雙極性輸出，并可校準0V輸出點。基準緩沖器能夠為基準源提供負載隔離和失調調節。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絡產生。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基準源
• U2：MAX5443，16位、3.3V供電串行DAC
• U3與U4：OP07A，精密運算放大器，±15V供電
• U5：MAX5491A，帶有ESD保護的精密電阻網絡，3:4分壓比
• U6：MAX5491A，帶有ESD保護的精密電阻網絡，1:7分壓比
• U7：MAX5423，100k、256級、非易失數字電位器

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鍵的參數。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。考慮到器件本身的優異性能，我們選擇了小尺寸μMAX?封裝MAX6133A。該器件的重要參數包括：輸出電壓精度(±0.06%)、溫度系數(7ppm/°C)和長期穩定性(145ppm/1kHrs)。

數模轉換器

工業控制應用中最重要的參數是零點失調誤差，本例中MAX5443的單極性輸出具有±2 LSB失調誤差和±10 LSB的增益誤差。這些指標足以滿足大多數應用的需求，為了將DAC輸出轉成雙極性信號，通常采用偏置電路將DAC的零點轉換為-10V (負向滿量程)，將中間碼轉換為0V。這時DAC的中間碼誤差是零點失調與增益誤差之和，而非±2 LSB。有些應用或許不能接受這一指標，所以我們使用了數字電位器，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絡(U5)與運算放大器(U3)增益電阻網絡之間。如果系統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。應考慮以下指標：

• 最大電壓擺幅
• 最大驅動電流
• 容性負載
• 短路保護
• ESD保護

本例中，OP07A能夠為負載提供±10V/10mA的驅動，R1與C2網絡允許運算放大器驅動較大的容性負載。

影響系統精度的運算放大器參數有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擺率可能限制系統擺率，但在工業控制應用中往往不存在問題。

電阻網絡

電阻網絡U5 (3:4比例)將+2.5V基準電壓降至+1.429V，電阻網絡U6 (1:7比例)設置運算放大器U3的增益。比較重要的參數是初始比例誤差(0.035%)和比例溫度系數(5ppm/°C)。選擇MAX5491是由于該器件具有±2kV的ESD保護，這一點非常關鍵，因為U6的一端可能會暴露在板外，需承受ESD放電的沖擊。

數字電位器

本系統使用256級數字電位器MAX5434調節零點失調誤差，該器件具有非易失存儲器，能夠在電源關閉后保持失調值。U7、U5與R2組成的電阻網絡可在0V提供大約±100 LSB的調節范圍。

分析

對本電路進行PSPICE靈敏度分析，結果表明最大零點失調誤差為13 LSB，利用數字電位器可以修正該誤差。溫度分析結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的失調誤差。對于絕大多數應用在允許范圍之內。

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