数字至电流环路输出转换器AD420的功能特性及应用

AD420是一款完整的数字至电流环路输出转换器，旨在满足工业控制的需要市场。它提供高精度，完全集成，低成本用于产生电流回路信号的单芯片解决方案，紧凑型24引脚SOIC或PDIP封装。输出电流范围可编程为4 mA至20 mA，0 mA至20 mA或0 mA至超量程功能24毫安。

AD420也可以提供电压输出从一个可配置为提供0 V至5 V的独立引脚，0 V至10 V，±5 V或±10 V，增加一个外部电阻缓冲放大器。3.3 M波特串行输入逻辑设计最大限度地降低了成本电流隔离，通常可以简单连接使用过的微处理器。它可以用于3线或异步模式和串行输出引脚用于允许菊花链接隔离栅的电流回路侧有多个DAC。

AD420采用sigma-delta（Σ-Δ）DAC技术实现16位单调性，成本极低。全面结算至0.1％发生在3毫秒内。唯一的外部组件要求（除了正常的瞬态保护电路）两个低成本电容器用于DAC输出滤波器。如果AD420在极端温度和电源下使用电压，外部输出晶体管可用于最小化

通过BOOST引脚在芯片上实现功耗。错误当环路中发生开路时，DETECT引脚发出信号。

片上电压参考可用于提供精度除AD420外，还可以向外部元件施加+ 5V电压用户希望温度稳定性超过25 ppm /°C，a外部精密基准电压源如AD586可用作参考资料。

AD420采用24引脚SOIC和PDIP工作温度范围为-40°C至+ 85°C。

特征：

4 mA-20 mA，0 mA-20 mA或0 mA-24 mA电流输出、16位分辨率和单调性

±0.012％最大积分非线性

±0.05％最大偏移（可修剪）

±0.15％最大总输出误差（可微调）

灵活的串行数字接口（3.3 MBPS）

片上环路故障检测

片上5 V基准电压（最大25 ppm /°C）

异步CLEAR功能

最大供电范围为32 V.

输出环路符合0 V至VCC - 2.75 V

24引脚SOIC和PDIP封装

功能框图

产品亮点：

1. AD420是一款单芯片解决方案，可产生4 mA电流控制器端的20 mA或0 mA至20 mA信号当前循环。

2. AD420的电源范围为12 V至32 V.输出环路兼容性为0 V至VCC - 2.75 V.

3.灵活的串行输入可用于3线模式使用SPI®或MICROWIRE®微控制器，或使用异步模式，最小化数量需要控制信号。

4.串行数据输出引脚可用于任何菊花链AD420的数量在3线模式下一起使用。

5.上电时，AD420将其输出初始化为低电平所选范围的结束。

6. AD420有一个异步CLEAR引脚，可以发送输出到所选范围的低端（0 mA，4 mA，或0 V）。

7. AD420 BOOST引脚可容纳外部引脚晶体管可以降低芯片的功耗。

8.偏移量为±0.05％，总输出误差为±0.15％如果需要，可以使用两个外部电位计进行修整。

引脚配置和功能描述

1、VLL辅助缓冲+4.5 V数字逻辑电压。该引脚是数字的内部电源电压电路，可用作上拉电阻的终端。外接+5 V电源即可连接到VLL。它将覆盖此缓冲电压，从而降低内部功耗。该应使用0.1μF电容将VLL引脚去耦至GND。请参阅电源和去耦部分。

2、故障检测故障检测连接到上拉电阻，当输出电流不匹配时置为低电平DAC的编程值，例如，在电流环断开的情况下。

3、RANGE SELECT 2选择转换器的输出操作范围。一个输出电压范围和三个

4、RANGE SELECT 1输出电流范围可用。

5、CLEAR有效VIH无条件强制输出达到其编程范围的最小值。 CLEAR之后移除DAC输出将保持此值。输入寄存器中的数据不受影响。

6、LATCH在3线接口模式下，上升沿并行将串行输入寄存器数据加载到DAC中。至使用异步式通过限流电阻将LATCH连接到VCC。

7、时钟数据时钟输入。时钟周期等于3线接口模式下的输入数据比特率异步模式下比特率的16倍。

8、串行数据输入数据。

9、DATA OUT串行数据输出。在3线接口模式下，此输出可用于菊花链多路复用AD420s。在异步模式下，正脉冲将指示停止位后的帧错误接收。

数字线路上的三线接口快速边缘INPUT其中一个串行输入具有快速上升沿（《100 ns）

（CLOCK，DATA IN，LATCH）而另一个输入为逻辑高电平，该部分可能被触发进入测试模式和内容数据寄存器可能会损坏，这可能会导致输出加载的值不正确。 如果是快速边缘预计在数字输入线上，建议使用在串行加载DAC期间，锁存线保持在逻辑0。同样，在更新期间，时钟线应保持低电平DAC通过锁存引脚。 或者，添加小数字线上的电容值将减慢边沿。

异步接口

请注意，在异步模式操作的时序图中，每个数据字由START（0）位和STOP帧构成（1）位。 数据时序是相对于上升沿的CLOCK位于每个位单元的中心。 位单元是16个时钟long，第一个单元（START位）从第一个时钟开始跟随START位的前沿（下降沿）。 就这样MSB（D15）在开始后24个时钟周期采样START位，D14在时钟编号40采样，依此类推。在写下一个字DATA之前的任何死区时间IN引脚必须保持在逻辑1。当接收到STOP位时，DAC输出会更新。 在帧错误的情况（STOP位采样为0）AD420将在DATA OUT引脚输出一个时钟脉冲采样后的时钟周期内的周期宽STOP位。如果成帧，DAC输出将不会更新检测到错误。

解析度：对于16位分辨率，1 LSB = FSR的0.0015％。在里面4 mA-20 mA范围1 LSB = 244 nA。积分非线性ADI公司将积分非线性定义为最大值实际调整后的DAC输出偏离理想值模拟输出（从0到FS的直线 - 1 LSB）任何位组合。这也称为相对准确度。

微分非线性：微分非线性是衡量变化的指标模拟输出，归一化到满量程，与LSB相关联更改数字输入代码。单调行为需要差分线性误差大于-1 LSB感兴趣的温度范围。

单调性：如果输出增加或保持，则DAC是单调的恒定增加数字输入，结果是输出将始终是输入的单值函数。

增益错误：增益误差衡量理想值之间的输出误差DAC和实际设备输出，在偏移后加载全1错误已经调整出来。

偏移误差：失调误差是输出电流与理想值的偏差值表示为满量程输出的百分比在DAC中加载0。

漂移：漂移是参数（例如增益和偏移）的变化指定的温度范围。漂移温度系数，以ppm /°C表示，通过测量参数计算得出在TMIN，25°C和TMAX并除以其中的变化参数由相应的温度变化。

电流环路电压符合性：电压兼容性是IOUT引脚的最大电压输出电流将等于编程值。

运作理论

AD420采用sigma-delta（Σ-Δ）架构来实现数模转换。这种架构尤其如此非常适合相对较低的带宽要求工业控制环境因其固有的特点高分辨率的单调性。

在AD420中，二阶调制器用于将复杂性和芯片尺寸降至最低。来自的单比特流调制器控制一个开关电流源由两个连续时间电阻器 - 电容器部分滤波。电容器是唯一必须的外部元件添加了标准的电流输出操作。滤波后的电流被放大并镜像到供电轨以便应用只需看到4 mA-20 mA，0 mA-20 mA或0 mA-24 mA相对于地的电流源输出。 AD420采用BiCMOS工艺制造，非常适合实现高性能的低压数字逻辑和高压模拟电路。

AD420还可以提供电压输出而不是电流如果需要，循环输出。增加了一个外部放大器允许用户获得0 V-5 V，0 V-10 V，±5 V或±10 V.

AD420具有一个环路故障检测电路，可以发出警告IOUT的电压试图超过合规范围开环电路或电源电压不足。该故障检测是一个有效的低开漏信号，因此一个可以将几个AD420连接到一个上拉电阻全局错误检测。上拉电阻可以连接到VLL引脚或外部+5 V逻辑电源。IOUT电流由PMOS晶体管控制内部放大器如功能框图所示。产生故障输出的内部电路避免了使用具有窗口限制的比较器，因为这需要FAULT DETECT输出之前的实际输出错误变得活跃。相反，当信号产生时AD420输出级的内部放大器小于剩余约1伏的驱动能力何时输出PMOS晶体管的栅极几乎到达地。因此，FAULT DETECT输出会在之前稍微激活达到合规限制。由于进行了比较在输出放大器的反馈回路内，输出通过开环增益保持精度，无输出在故障检测输出变为活动状态之前发生错误。3线数字接口，包括DATA IN，CLOCK，和LATCH，连接所有常用的串行微处理器，无需添加任何外部胶水逻辑。数据是在CLOCK的控制下加载到输入寄存器中

当选通LATCH时加载到DAC。如果用户想要从本质上减少电流隔离器的数量安全应用，AD420可配置为运行异步模式。通过连接选择此模式通过限流电阻将LATCH引脚连接至VCC。数据

然后必须与开始和停止位组合以构建帧信息并触发内部LATCH信号。

AD420可提供4 mA-20 mA，0 mA-20 mA或0 mA-24 mA输出，无任何有源外部元件。过滤电容器C1和C2可以是任何类型的低成本陶瓷电容。为满足3 ms的指定满量程建立时间，需要低介电吸收电容（NPO）。合适的值是C1 =0.01μF和C2 =0.01μF。

标准配置图

驱动感应负荷

驱动电感或定义不明确的负载时，请连接0.01μFIOUT（引脚18）和GND（引脚11）之间的电容。这确保了AD420的稳定性，负载超过50 mH。没有最大电容限制。电容元件加载可能导致较慢的稳定，但这可能会被掩盖AD420的建立时间。程序化的变化电流可能会导致输出端产生反电动势电压超出AD420的合规性。为了防止这种电压从超过供电轨连接保护二极管

IOUT与每个VCC和GND之间。

电压模式输出

由于AD420是单电源器件，因此需要添加一个外部缓冲放大器到VOUT引脚以获得选择双极性输出电压范围如下图所示。

可选的跨度和零修剪

对于希望低于指定值的用户偏移和增益误差，下图显示了一种修剪这些的简单方法参数。应注意选择低漂移电阻因为它们会影响温度漂移性能DAC。调整算法是迭代的。程序在4 mA-20 mA模式下调整AD420即可

完成如下：

1.偏移调整。加载全零。调整RZERO4.00000 mA输出电流。

2.增益调整。加载所有。调整RSPAN为19.99976 mA（FS - 1 LSB）输出电流。返回步骤I并迭代直到获得收敛。

REF OUT（5 V）和GND引线之间的RZERO变化偏移调节范围为-1.5 mA至6 mA（1.5 mA / V.

以1 V为中心。5kΩRSPAN2电阻与电阻并联内部40 W感应电阻，导致增益增加+ 0.8％。当RSPAN变为500Ω时，REF IN上的电压为通过RSPAN和30kΩREFIN的组合衰减输入电阻。与RSPAN2一起添加时结果调整范围为-0.8％至+ 0.8％。

三线接口

下图显示了采用3线接口连接的AD420模式。AD420数据输入模块包含一个串行输入移位寄存器和并行锁存器。移位寄存器的内容由DATA IN信号和上升沿控制时钟。根据LATCH引脚的请求，DAC和内部锁存器从移位寄存器并行输出更新。该更新DAC时，CLOCK应保持不活动状态。

使用具有故障检测的多个DAC3线接口模式可以使用串行数据输出轻松连接多个DAC。对两个AD420进行编程上图中，需要32个数据位。前16位是时钟控制的进入DAC1的输入移位寄存器。接下来的16位发送通过DATA OUT引脚的前16位DAC1到DAC2的输入寄存器。输入移位寄存器两个DAC作为单个32位移位寄存器工作，具有前导16位表示DAC2和DAC2的信息尾随16位用于DAC1。 然后更新每个DAC根据LATCH引脚的要求。菊花链可以根据需要扩展到尽可能多的DAC。

异步接口使用

光电耦合器AD420以异步接口模式连接光耦合器如下图所示。异步操作最小化隔离所需的控制信号的数量来自控制回路的数字系统。连接电阻器需要在LATCH引脚和VCC之间激活它模式。对于VCC低于18 V的操作，请使用50kΩ上拉电阻电阻器;从18 V到32 V，使用100kΩ。

异步模式要求时钟以16倍的速度运行因此，数据比特率以最大输入数据速率运行在150 kBPS时，需要2.4 MHz的输入时钟。实际上实现的数据速率可能受光耦合器类型的限制选择。可以进一步减少控制信号的数量通过在电流回路上创建适当的时钟信号隔离屏障的一面。如果光耦合器比较慢使用上升和下降时间，可能需要施密特触发器数字输入，以防止错误的数据被呈现DAC。