力/检测DAC应用

本文讨论Maxim力/检测数模转换器（DAC）的应用电路。应用包括：可选固定增益DAC、可编程增益DAC、光电二极管偏置控制、电化学传感器控制、数字可编程电流源、开尔文负载检测、温度检测和高电流DAC输出。还简要介绍了各种DAC输出配置。

力/检测DAC是独一无二的，因为除了传统输出外，它们还允许用户访问输出缓冲放大器的反相节点。这些DAC很有趣，因为它们提供了灵活性，只需添加几个简单的元件即可创建自定义DAC增益或其他有用的电路。

缓冲、电压DAC输出的类型

图1显示了三种常见的缓冲电压输出DAC。第一种具有由内部电阻比（通常为+1.0、+1.638或+2.0V/V）定义的固定增益，并且没有用于调整失调的规定。第二种类型也使用内部电阻来设置固定增益，但同相增益运算放大器拓扑中的常接地电阻抽头被引入外部引脚，允许失调调整。最终输出类型为力/检测，它提供了一个引脚，直接连接到输出运算放大器的反相端，从而产生了最大的灵活性。

图1.DAC输出类型：（a）无失调调整的固定增益，（b）带失调调整的固定增益，（c）力/检测。

前两种DAC类型（图1a和1b）的主要优点是内部电阻经过调整，以提供低于±1%的典型增益误差，并且它们在整个温度范围内相互密切跟踪，以提供低于10ppm的典型增益温度系数。缺点是单通道固定增益，只能通过在DAC输出后增加一个放大器来改变。后两种DAC类型的一个优点是失调误差可以通过外部电路消除。力/检测类型还有一个优点，即可以在外部为给定应用设置特定增益。力/检测DAC的增益误差在单位增益配置中指定（运算放大器输出和反相端子连接），外部电阻容差会产生额外的增益误差。主要缺点是需要昂贵的分立电阻、电阻阵列或数字电位计来匹配固定增益DAC的增益容差和温度漂移特性。

力/检测DAC的最后一个优点是，它允许仅使用几个简单的外部元件创建许多有用的电路。下一节将介绍几个电路示例。

力/检测DAC应用电路

使用MAX5123的力/检测输出的自定义固定增益示例如图2所示。本例采用内部+1.25V基准，增益设置为+2.20V/V，采用外部分立电阻，提供近似0至2.75V DAC输出电压范围。

图2.DAC具有+2.20V/V的可选固定增益。

通过组合力/检测DAC和数字电位计，也可以实现数字可编程DAC增益。使用MAX5175/MAX5177 DAC和MAX5400/MAX5415数字电位器的两个示例如图3所示。两款器件共享相同的SPI接口，允许使用四个数字接口信号（时钟、数据输入和两个片选）实现只写功能。

图3.使用数字电位计的可编程增益DAC：（a）更大的增益范围，更低的增益设置分辨率，（b）更小的增益范围，更高的增益设置分辨率。

在第一个电路（图3a）中，MAX5175的增益由单个MAX5400数字电位器设置，上电时默认增益为+1.992V/V。增益调谐分辨率在此默认值附近为~±0.8%，表明+2.00V/V的增益可以设置在~±0.4%以内。非线性增益范围约为+1V/V至+255V/V，但可用增益上限将受到基准电压和电源电压的限制。增益设置分辨率在较高增益下也会变差。该电路的一大优点是增益温度系数通常为~5ppm/°C，因为它由单个电位计内匹配良好的电阻设置。

第二电路（图3b）使用双路、8位MAX5415电位器设置14位MAX5173 DAC的增益。该电路的上电默认增益正好为+2.00V，调谐分辨率在该增益值附近为<0.02%。由于使用两个8位电位电位器，因此该电路在1至65的整个非线性增益范围内具有良好的调谐分辨率。虽然电位计之间的电阻温度系数没有规定，但它应该接近各个电位计的典型5ppm/°C比例规格，因为它们都位于同一硅上。

图3中的电路提供了两全其美的优势;力/检测的增益设置灵活性，以及与固定增益DAC相当的精确增益（调整后）和低温漂移。

图4a和4b显示了如何将力/检测DAC的输出运算放大器配置为跨阻放大器。在这两个例子中，光电二极管的电流输出由跨阻放大器转换为电压。在第一种情况下，使用单个MAX5304 DAC来克服自身的失调电压，并保证接地光电二极管上的轻微反向偏置。第二种是双路MAX5156/57 DAC，用于在基准电压以下的任何电压电平下对光电二极管进行反向甚至零偏置。需要注意的是，现有的Maxim力/检测DAC在FB引脚（输出运算放大器反相输入）上的最大输入偏置电流为100nA。对于某些光电二极管应用来说，该电流可能过高，可能需要具有较低输入偏置电流的外部运算放大器（如MAX4162），直到具有较低输入偏置电流的力/检测DAC可用。跨阻放大器拓扑的另一个注意事项是确认运算放大器是稳定的，尤其是在反相输入端有容性负载的情况下。

图4.光电二极管和跨阻放大器的偏置电压控制：（a） 使用单 DAC 进行接地反向偏置，（b） 使用双 DAC 进行电平偏移零或反向偏置。

另一种跨阻应用如图5所示。在本例中，DAC为电化学传感器提供直流电压偏置，传感器的输出电流由DAC的跨阻放大器转换为电压。电化学（或更一般的伏安）传感器通常用于医疗应用，力/检测DAC是自然选择。

图5.电化学传感器的电压偏置控制。

力/检测DAC也可以使用图6所示的拓扑配置为数字可编程电流源（实际上是灌电流）。假设DAC输出有足够的裕量来驱动NPN BJT的~0.7V基极-发射极电压，反馈将使电阻两端的电压（及其电流）保持在无缓冲的R-2R梯形输出电压（VR2R).由于BJT的有限beta，BJT集电极的输出电流将略低于编程电阻电流。在某些应用中，这可能需要校准输出电流。一种补救措施是使用 MOSFET 代替 BJT，因为它的漏极电流几乎等于其在直流或低频时的源电流。

该电路的常见用途包括工业控制应用中的通用电流源、精密LED驱动电流和4-20mA电流环路。

图6.数字可编程电流源。

通过使用开尔文检测，即使DAC输出和负载之间的串联阻抗相对较高，力/检测DAC也能够在负载上提供所需的电压。同样，这假设DAC输出有足够的裕量来驱动串联和负载阻抗形成的分压器。用户应确认输出运算放大器对于反馈环路中的所有预期阻抗值都是稳定的。

图7.负载时带开尔文感测的驱动信号。

现在有几种产品使用分立二极管或晶体管P-N结进行远程温度检测。这些器件使用 2（或更多）电流的比值以及二极管方程来确定以开尔文为单位的温度。

图8所示为简单的电路拓扑结构，MAX5302 DAC用于驱动连接成二极管的晶体管。电流（1023 个可能值）由接地电阻两端的 DAC 输出电压 （VR/R）以及由此产生的正向偏置P-N结电压（VD）采用MAX1408 ADC进行差分测量。这种拓扑结构很方便，因为使用相同的电阻来设置两个电流，并且电流比大约是DAC码字的比率。例如，DAC代码1000（十进制）和500（十进制）产生2：1的电流比，可直接用于二极管方程计算。会有一些DAC误差项，如失调、INL和增益，影响比率，但这些误差相对较小。如果需要更高的精度，可以使用ADC测量强制电阻电压（VR） 在每个 DAC 代码中。应注意该电路，以确保运算放大器的稳定性，特别是对于具有长引线和大寄生效应的远距离P-N结。

图8.用于温度检测的二极管电流驱动。

图9所示的最终应用电路是MAX5352/53力/检测DAC，带有发射极跟随器BJT级，用于增加输出电流驱动。此拓扑类似于图6所示的电流源，不同之处在于集电极连接到V抄送（共集电极），输出是发射极的电压，而不是集电极上的电流。与以前的许多电路一样，一个关键要求是DAC输出有足够的裕量来驱动BJT的基极-发射极结~0.7V高于最大输出电压。

图9.通过发射极-跟随器驱动增加DAC输出电流。

审核编辑：郭婷