ZHCAFG0 June 2025 DAC81408 , DAC81416 , TPS2661
設(shè)計(jì)目標(biāo)
| 主要輸入?yún)?shù) | 主要輸出信號(hào) | 建議的器件 |
|---|---|---|
SPI 或 I2C 通信 來控制 DAC 電壓輸出 | ±10V 輸出 DAC 信號(hào) 具有過壓保護(hù)功能 | DAC81408、OPA206、TPS26611 TVS3301（可選） |
目標(biāo)：保護(hù) ±10V 信號(hào)免受持續(xù) ±32V 連接的影響，適用于不具有正檢測(cè)引腳的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)。
設(shè)計(jì)說明
該電路設(shè)計(jì)描述了用于精密 DAC 輸出的過壓保護(hù)電路。該電路可保護(hù) DAC 輸出免受高于最大電源電壓和低于最小電源電壓的持續(xù)過壓的影響。在沒有正 SENSE 引腳的器件中，DAC 輸出緩沖器包含在器件內(nèi)，無法對(duì)輸出緩沖器的正 SENSE 反饋引腳進(jìn)行引腳訪問。過壓保護(hù)電路包含一個(gè)采用單位增益設(shè)置的運(yùn)算放大器，一個(gè)用于保護(hù)輸出的電子保險(xiǎn)絲以及一個(gè)可選的瞬變電壓抑制 (TVS) 二極管。當(dāng) DAC 工作電壓 ±15V 時(shí)，輸出受到 ±32V 或更高保護(hù)，而不會(huì)損壞 DAC 和保護(hù)電路。這種類型的保護(hù)電路緩沖器可用于許多工業(yè)工廠自動(dòng)化和控制應(yīng)用。如果輸出端在可編程邏輯控制器 (PLC) 等輸出端子上遇到因接線錯(cuò)誤而導(dǎo)致的過壓事件，該電路特別實(shí)用。
設(shè)計(jì)說明
- 這種設(shè)計(jì)在沒有正 SENSE 引腳的情況下保護(hù) DAC 的輸出作為反饋。許多 DAC 配置了無 SENSE 引腳的情況、但該電路以 DAC81408 為例。DAC 輸出設(shè)置為 ±10V 的范圍。
- DAC81408 具有五個(gè)獨(dú)立的電源輸入（VIO、VDD、VAA、VCC 和 VSS）。DACx1408 具有內(nèi)部基準(zhǔn)的 8 通道、16/14/12 位高電壓輸出 DAC 數(shù)據(jù)表建議為每個(gè)電源引腳使用 0.1μF 去耦電容器。請(qǐng)注意，VCC 和 VSS（設(shè)置為 ±15V）各有兩個(gè)引腳。此外，建議每個(gè)電源使用 4.7μF 或 10μF 大容量電容器?？梢詾榇笕萘侩娙萜鬟x擇鉭或鋁電容器類型。
- 如果使用了內(nèi)部基準(zhǔn)，則在 REF 引腳與接地引腳之間連接一個(gè) 150nF 電容器。從 REFCMP 引腳到 REFGND 引腳之間連接一個(gè) 330pF 電容器，作為附加的基準(zhǔn)補(bǔ)償電容器。
- 使用配置為單位增益緩沖器的運(yùn)算放大器來保護(hù) DAC 免受過壓事件的影響。輸出過壓保護(hù)需要保護(hù)運(yùn)算放大器輸入免受超出電源電壓的過壓影響，并在這些事件期間保護(hù)輸出免受拉出或灌入過大電流的影響。
- 在此電路中，為用于過壓保護(hù)的運(yùn)算放大器緩沖器選擇了 OPA206。選擇該運(yùn)算放大器因其具有以下幾個(gè)特性：
- 失調(diào)電壓非常低，緩沖器對(duì) DAC 輸出的誤差很小。OPA206 的失調(diào)電壓通常為 ±4μV（25°C 處）和 ±55μV（從 –40°C 到 125°C）。
- OPA206 具有集成的輸入過壓保護(hù)功能，可在運(yùn)算放大器電源電壓的基礎(chǔ)上擴(kuò)展至 ±40V。下圖顯示了相對(duì)于 OPA206 的輸入共模電壓的輸入偏置電流。
- OPA206 具有 25mA 的短路電流限值。但是，流經(jīng)運(yùn)算放大器內(nèi)部 ESD 二極管的電流會(huì)過大。運(yùn)算放大器輸出端使用了電子保險(xiǎn)絲，該保險(xiǎn)絲位于輸出反饋內(nèi)部以限制電流。這種保護(hù)還會(huì)限制超過電源電壓的輸出電流。
- 如果使用沒有集成輸入過壓保護(hù)功能的替代運(yùn)算放大器，則可以使用輸入的串聯(lián)電阻進(jìn)行保護(hù)，以限制輸入電流。有關(guān)運(yùn)算放大器中過壓和電氣過載的更多信息，請(qǐng)參閱有關(guān)電氣過載的 TI 高精度實(shí)驗(yàn)室–運(yùn)算放大器視頻。
- TPS26611 是一款電流環(huán)路保護(hù)器，充當(dāng)電子保險(xiǎn)絲來限制運(yùn)算放大器的輸出電流。
- 即使運(yùn)算放大器的短路電流限制通常為 25mA，也不會(huì)限制通過 ESD 二極管流到輸出端的電流，因?yàn)檩敵鲭妷簳?huì)強(qiáng)制超過運(yùn)算放大器電源電壓。
- TPS26611 的最大串聯(lián)電阻為 12.5Ω。由于有了額外的 49.9Ω 串聯(lián)電阻，15mA 輸出端電源輸出所需的額外余量為 0.936V。
- EN 和 SGOOD 引腳可保持懸空。
- 有關(guān)使用 TPS26611 作為模擬輸出模塊的保護(hù)的更多信息，請(qǐng)參閱使用 TPS2661x 的模擬輸入和輸出模塊中的 HART I/O 保護(hù)數(shù)據(jù)表。
- 在電路中應(yīng)用了一個(gè)可選的瞬態(tài)電壓抑制二極管 (TVS)，以提供額外的浪涌保護(hù)。如果使用 TVS 二極管，則所選的擊穿電壓必須高于任何持續(xù)過壓。如果擊穿電壓低于持續(xù)過壓，則過壓可能會(huì)損壞 TVS 二極管。在此電路中、預(yù)期的持續(xù)過壓為 ±32V、并使用具有雙向 33V 擊穿電壓的可選 TVS3301 器件提供浪涌保護(hù)。
仿真
過壓保護(hù)緩沖器通過 PSpice? 進(jìn)行仿真。首先、使用脈沖電壓源作為 DAC 來模擬緩沖器的傳遞函數(shù)。緩沖器的輸入從 –10V 斜升至 +10V，顯示了 DAC 的整個(gè)輸出范圍。緩沖器原理圖是為了進(jìn)行仿真而構(gòu)建的。
從緩沖器輸入到輸出的傳遞函數(shù)源自瞬態(tài)仿真。
第二個(gè)瞬態(tài)仿真顯示了過壓事件期間的電流。
輸入被設(shè)定為 0V，而一個(gè)電壓電源被放置在緩沖器的輸出上。電源斜坡模擬從 –32V 到 +32V 的轉(zhuǎn)換。
仿真從 –32V 的輸出開始，TPS26611 電子保險(xiǎn)絲處于開路狀態(tài)，從而防止從 OPA206 的輸出中獲取任何電流。剩余電流來自具有集成輸入保護(hù)的 OPA206 的輸入，該輸入可將電流限制為約 5mA。隨著電壓降低，緩沖器輸出端的電流保持為 5mA。
當(dāng)電壓增加到接近 -15V 的較低電源電壓時(shí)，TPS26611 開始從 OPA206 輸出端傳導(dǎo)電流。由斜坡電壓驅(qū)動(dòng)的 OPA206 會(huì)立即達(dá)到 30mA 的器件電流限制。此電流限制低于 TPS26611 的 32mA 電流保護(hù)水平，并且允許傳導(dǎo)電流。OPA206 持續(xù)電流限制沒有破壞性。
斜升電壓上升并超過 0V，OPA206 的輸出從拉電流變?yōu)楣嚯娏?。OPA206 在相反方向上被強(qiáng)制進(jìn)入 30mA 電流限制狀態(tài)。
最后，斜升的電壓上升到高于 +15V 的正電源。TPS26611 電子保險(xiǎn)絲再次打開，OPA206 輸出停止灌入電流。在這里，唯一的輸出電流來自 OPA206 輸入保護(hù)。
未對(duì) TVS3301 進(jìn)行仿真。但是，發(fā)送的輸出未超過保護(hù)閾值 33V，即會(huì)開啟 TVS 導(dǎo)通。在 32V 的仿真電平下，TVS3301 不會(huì)影響保護(hù)緩沖器和 DAC 輸出的運(yùn)行。
測(cè)量結(jié)果
過壓保護(hù)緩沖器為測(cè)試而構(gòu)建，并連接到 DAC81416-08EVM 的輸出端。首先，DAC 的輸出從 –10V 斜升至 10V，以驅(qū)動(dòng)緩沖器輸入。從緩沖器中測(cè)得的偏移在整個(gè)范圍內(nèi)小于 10μV。
然后，輸出會(huì)連接到可變電源。當(dāng)驅(qū)動(dòng)輸出時(shí)，會(huì)記錄輸出端的電流。測(cè)量開始時(shí)，電源電壓為 –32V，可變電源電壓升至 +32V。然后，輸出從 +32V 改回 –32V。此設(shè)置與前面所述仿真中的原理圖類似。
在測(cè)試中，OPA206 短路電流和輸入保護(hù)電流略低于仿真值。TPS26611 電子保險(xiǎn)絲的關(guān)閉和打開存在遲滯。在 TPS26611 電子保險(xiǎn)絲關(guān)閉并且在正常運(yùn)行情況下傳導(dǎo)電流的情況下啟動(dòng)時(shí)，電子保險(xiǎn)絲會(huì)在輸出上升時(shí)打開，并被驅(qū)動(dòng)到超過任一電源的大約 2.5V。在這里，當(dāng)輸出被強(qiáng)制升至高于 17.2V 或低于 –17.5V 時(shí)，TPS26611 會(huì)關(guān)閉。這在仿真中可以看到一部分，在仿真中以從低電壓到高電壓的單次斜升運(yùn)行。
寄存器設(shè)置
下表顯示了此包含 DAC81408 的應(yīng)用的示例寄存器映射。此處給出的值適用于在設(shè)計(jì)說明部分作出的設(shè)計(jì)選擇。
| 寄存器地址 | 寄存器名稱 | 設(shè)置 | 說明 |
|---|---|---|---|
| 0x03 | SPICONFIG | 0x0A84 | [15:12] 0b0000：保留 |
| [11] 0b1：熱警報(bào)會(huì)觸發(fā) ALMOUT 引腳 | |||
| [10] 0b0：在 DAC 更新之間不設(shè)置 ALMOUT | |||
| [9] 0b1：CRC 錯(cuò)誤會(huì)觸發(fā) ALMOUT 引腳 | |||
| [8:7] 0b01：保留 | |||
| [6] 0b0：已禁用軟切換操作 | |||
| [5] 0b0：器件處于 ACTIVE 模式 | |||
| [4] 0b0：已禁用 CRC | |||
| [3] 0b0：已禁用流模式 | |||
| [2] 0b1：SDO 引腳正常工作 | |||
| [1] 0b0：在 SCLK 上升沿進(jìn)行 SDO 更新 | |||
| [0] 0b0：保留 | |||
| 0x04 | GENCONFIG | 0x3F00 | [15] 0b0：保留 |
| [14] 0b0：?jiǎn)⒂脙?nèi)部基準(zhǔn) | |||
| [13:6] 0b11111100：保留 | |||
| [5:2] 0b0000：已禁用所有通道的差分模式 | |||
| [1:0] 0b00：保留 | |||
| 0x09 | DACPWDWN | 0xF00F | [15:12] 0b1111：保留 |
| [11:4] 0b00000000：已啟用所有通道，不處于斷電模式 | |||
| [3:0] 0b1111：保留 | |||
|
0x0B、0x0C |
DACRANGE0 （通道 7:4） DACRANGE1 （通道 3:0） |
0xAAAA | [15:12] 0b1010：將 DAC 輸出范圍設(shè)置為 ±10V |
| [11:8] 0b1010：將 DAC 輸出范圍設(shè)置為 ±10V | |||
| [7:4] 0b1010：將 DAC 輸出范圍設(shè)置為 ±10V | |||
| [3:0] 0b1010：將 DAC 輸出范圍設(shè)置為 ±10V | |||
|
0x14-0x1B |
DAC0–DAC7 （通道 0:7） |
0x8000 |
[15:0] 為輸出電壓 0V 設(shè)置 DAC 數(shù)據(jù)代碼 |
偽代碼示例
下面所示為將初始寄存器值設(shè)置到 DAC81408 的偽代碼序列。以下偽代碼將器件設(shè)置為一個(gè)通道以實(shí)現(xiàn) ±10V 輸出。此處給出的值適用于在設(shè)計(jì)說明部分作出的設(shè)計(jì)選擇。
DAC81408 偽代碼示例
1: //SYNTAX: WRITE <REGISTER NAME (Hex code)>, <MSB DATA>, <LSB DATA>
2: //Set the device in active mode
3: WRITE SPICONFIG(0x3), 0x0A, 0x84
4: //Enable the internal reference
5: WRITE GENCONFIG(0x04),0x3F, 0x00
6: //Enable all DAC channels, not in power-down mode
7: WRITE DACPWDWN(0x09), 0xF0, 0x0F
8: //Set Channels 7 to 4 to ±10V output range
9: WRITE DACRANGE0(0x0B), 0xAA, 0xAA
10: //Set Channels 3 to 0 to ±10V output range
11: WRITE DACRANGE1(0x0C), 0xAA, 0xAA
12: //Set DAC0 to output 0V
13: //Data is configured in straight binary, not two's complement notation
14: WRITE DAC0(0x14), 0x80, 0x00
15: //Channels 1 through 7 configured through registers 0x15 - 0x1B設(shè)計(jì)中采用的器件
使用參數(shù)搜索工具查找其他可能的器件。
設(shè)計(jì)參考資料
有關(guān) TI 綜合電路庫(kù)的信息，請(qǐng)參閱模擬工程師電路說明書。
其他資源
- 德州儀器 (TI)，DAC81416-08 評(píng)估模塊用戶指南
- 德州儀器 (TI)，采用 TPS2661x 的模擬輸入和輸出模塊中 HART I/O 保護(hù)應(yīng)用報(bào)告
- 德州儀器 (TI)，高精度實(shí)驗(yàn)室系列：數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)
- 德州儀器 (TI)，高精度實(shí)驗(yàn)室系列：運(yùn)算放大器
- Planet Analog，運(yùn)算放大器輸入保護(hù)可能存在噪聲
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