AFE78101/AFE88101 技术文档总结

16 位 AFE88101 和 14 位 AFE78101 （AFEx8101） 是高度集成、高精度、极低功耗的数模转换器 （DAC），具有专为传感器-发射器应用设计的电压输出。

AFEx8101 器件包括设计 4 mA 至 20 mA、2 线（环路供电）传感器发射器所需的大部分组件。除了高精度DAC外，这些器件还包括一个10 ppm/°C基准电压源和一个诊断模数转换器（ADC）。为了满足本质和功能安全问题，需要外部电压到电流转换和功率调节。
*附件：afe78101.pdf

内部诊断ADC复用到多个内部节点，从而实现自动自我健康检查。该检查能够检测内部偏置源、电源稳压器、基准电压源、DAC输出、芯片温度和可选外部电压源的错误或故障。如果从诊断ADC、CRC帧错误检查或窗口看门狗定时器检测到任何故障，器件可以选择发出中断，进入与标准NAMUR输出值或用户指定的自定义值相对应的故障安全状态，或两者兼而有之。

这些器件采用低至 1.71 V 的电源供电，最大静态电流为 210 μA。这些器件的额定温度范围为–40°C至+125°C，但工作温度范围为–55°C至+125°C。

特性

• 低静态电流：170 μA （典型值）
• 16位或14位单调高性能DAC
  • 1.8V 电源：0.15 V 至 1.25 V、0.2 V 至 1.0 V
  • 5V 电源：0.3 V 至 2.5 V、0.4 V 至 2.0 V
  • 16 位时的 4-LSB INL
  • 0.07% FSR（最大）TUE，–40°C 至 +125°C
• 用于高级诊断的 12 位 3.84kSPS ADC
• 集成 1.25V 基准电压源，频率为 10 ppm/°C
• 内部1.2288MHz振荡器，带时钟输出
• 数字接口：
  • 串行外设接口 （SPI）
  • 通用异步接收-发射器 （UART）
• 故障检测：CRC位错误检查、窗口看门狗定时器、诊断ADC
• 宽工作温度：–55°C 至 +125°C

参数

方框图

一、产品概述

AFE78101 与 AFE88101（统称 AFEx8101）是德州仪器推出的 高精度低功耗数模转换器（DAC） ，专为 4mA20mA 回路供电应用设计，集成电压基准、诊断 ADC 及故障检测功能，适用于工业自动化、过程控制中的传感器变送器场景。两款器件均支持 - 55125°C 宽温工作，采用 4mm×4mm 24 引脚 UQFN 紧凑封装，其中 AFE88101 为 16 位分辨率 ， AFE78101 为 14 位分辨率 ，可根据精度需求灵活选择。

二、核心特性

（一）高精度与低功耗

• DAC 性能 ：AFE88101（16 位）总未调整误差（TUE）最大 0.07% FSR（-40~125°C），AFE78101（14 位）非线性误差（INL）最大 4LSB，支持增益与偏移校准，确保长期稳定性；
• 低功耗运行 ：静态电流典型值 170μA（PVDD 供电，内部基准使能），休眠模式电流低至 28μA（VDD=5.5V），适配回路供电场景下的低功耗要求；
• 宽供电范围 ：支持 1.715.5V 供电，1.711.89V 低压模式下内部 LDO 禁用，2.7~5.5V 高压模式下内部 LDO 自动启动，为内核提供 1.8V 稳定电压。

（二）高集成与诊断能力

1. 集成功能模块
   • 电压基准 ：内置 1.25V 高精度基准（温度系数 10ppm/°C），支持外部基准输入（VREFIO 引脚），输出噪声密度 200nV/√Hz（10kHz），确保 DAC 与 ADC 精度；
   • 诊断 ADC ：12 位 3.84kSPS SAR ADC，可监测 2 路外部输入（AIN0/AIN1）及 8 路内部节点（如 PVDD、VDD、VOUT、温度传感器等），用于故障自检与系统状态监控；
   • 时钟与通信 ：内置 1.2288MHz 振荡器（CLK_OUT 可输出），支持 SPI（最高 12.5MHz）与 UART（9600 波特率）接口，SPI 默认启用 CRC-8 校验，提升通信可靠性。
2. 故障检测与安全机制
   • 多维度故障监测 ：支持 CRC 帧错误、窗口看门狗定时器（WDT）超时、基准电压异常、温度超限（85°C 警告 / 130°C 错误）、ADC 测量超阈值等故障检测；
   • 报警响应 ：故障触发时可配置 DAC 输出告警电压（如 0.15V/1.25V）、进入 CLEAR 状态或高阻模式，ALARM 引脚（开漏输出）同步输出告警信号，满足功能安全需求。

（三）灵活的输出与控制

• DAC 输出范围 ：支持两种输出范围，低压模式（1.8V 供电）为 0.151.25V（全量程）/0.21.0V（窄量程），高压模式（≥2.7V 供电）为 0.32.5V（全量程）/0.42.0V（窄量程），配合电压 - 电流转换器可实现 4mA~20mA 回路电流输出；
• 可编程压摆率 ：支持线性 / 正弦压摆率控制，步长（1128 码）与时钟速率（2400Hz307.2kHz）可调，避免输出电压突变导致的回路电流冲击；
• CLEAR 状态 ：通过引脚（SCLR/SDI）、寄存器或告警触发 DAC 快速切换至预设 CLEAR 码（DAC_CLR_CODE），适用于紧急故障下的安全输出控制。

三、器件信息

（一）型号差异与封装

型号	分辨率	核心差异	封装	工作温度
AFE78101	14 位	14 位 DAC，INL 最大 4LSB	24 引脚 UQFN（4mm×4mm）	-55~125°C
AFE88101	16 位	16 位 DAC，TUE 最大 0.07% FSR	同规格 UQFN	-55~125°C

（二）热学特性

热参数	24 引脚 UQFN（RRU 封装）	单位
结到环境热阻（RθJA）	103.1	°C/W
结到顶部外壳热阻（RθJC (top)）	84.4	°C/W
结到板热阻（RθJB）	69.5	°C/W
结到顶部特征参数（ΨJT）	0.4	°C/W
结到板特征参数（ΨJB）	68.4	°C/W

四、电气规格

（一）DAC 关键参数（TA=-40~125°C，VREF=1.25V）

参数	AFE88101（16 位）	AFE78101（14 位）	测试条件
总未调整误差（TUE）	最大 0.07% FSR	—	PVDD=5V，全温度范围
积分非线性（INL）	最大 4LSB	最大 4LSB	增益 = 1×，全输出范围
微分非线性（DNL）	最大 1LSB	最大 1LSB	单调输出，无失码
输出噪声密度	180nV/√Hz（1kHz）	同 AFE88101	PVDD=1.8V，midscale
建立时间	65μs（±2LSB）	同 AFE88101	10mV 阶跃，RL=50kΩ

（二）ADC 关键参数（TA=25°C，VREF=1.25V）

参数	最小值	典型值	最大值	单位
分辨率	—	12	—	位
积分非线性（INL）	-4	±1	4	LSB
偏移误差（校准后）	-10	±1.6	10	LSB
增益误差	-0.8	±0.13	0.8	%FSR
转换速率	—	3.84	—	kSPS
输入范围（PVDD≥2.7V）	0	—	2.5	V

（三）基准与电源特性

参数	条件	典型值	单位
内部基准电压	TA=25°C	1.25	V
基准温度系数	TA=-40~125°C	10	ppm/°C
PVDD 静态电流	DAC 零码，ADC 静态	170	μA
IOVDD 电流	SPI 静态，无通信	5	μA

五、功能模块详解

（一）DAC 核心模块

1. 架构与校准
   • 采用电阻串架构，确保输出单调性，配合输出缓冲器支持 1mA 源 / 灌电流（短路保护电流 5mA）；
   • 增益校准（DAC_GAIN 寄存器）支持 0.5~1.499985 倍调节，偏移校准（DAC_OFFSET 寄存器）采用 2's 补码，补偿系统误差；
   • 输出范围通过 DAC_CFG.RANGE 配置，CLEAR 状态下范围由 DAC_CFG.CLR_RANGE 独立控制，适配故障场景下的安全输出。
2. 压摆率控制
   • 使能 DAC_CFG.SR_EN 后，输出按设定步长（SR_STEP：1128 码）与时钟速率（SR_CLK：2400Hz307.2kHz）阶梯变化，压摆时间计算公式为：Slew****Tim e =Sle**wSte p ×SlewClockRateDeltaCodeChange**​；
   • 支持线性（默认）与正弦压摆模式（DAC_CFG.SR_MODE=1），正弦模式可优化模拟信号变化特性，减少回路电流冲击。

（二）诊断 ADC 与故障监测

1. ADC 功能
   • 支持直接模式（单次触发转换）与自动模式（连续循环转换），通过 ADC_INDEX_CFG 配置转换通道序列（如 AIN0→温度→VREF→VOUT），默认转换所有 8 路内部节点 + 2 路外部输入；
   • 外部输入（AIN0/AIN1）支持 01.25V/02.5V 量程（PVDD≥2.7V 时可切换），温度传感器测量范围 - 55~125°C，精度 ±5°C，可触发高温告警。
2. 故障检测与响应
   • CRC 与 WDT ：SPI 通信默认启用 CRC-8 校验（多项式x8**+x2**+ x + 1 ），WDT 支持 53ms~5.12s 超时窗口，超时触发 WD_FLT 告警；
   • 告警动作配置 ：通过 ALARM_ACT 寄存器设置故障响应（无动作 / CLEAR 状态 / 告警电压 / 高阻），例如 VREF 异常时可配置 DAC 输出 0.15V（低压模式）或 0.3V（高压模式），符合 NAMUR 标准；
   • 状态寄存器 ：ALARM_STATUS 记录告警类型（如 VREF_FLT、THERM_ERR_FLT），GEN_STATUS 记录系统状态（如 ADC_BUSY、RESET），支持掩码控制（ALARM_STATUS_MASK/GEN_STATUS_MASK），避免无关告警触发 IRQ。

（三）电源与通信接口

1. 电源管理
   • 高压模式（PVDD≥2.7V）：内部 LDO 将 PVDD 降压至 1.8V 供 VDD 引脚，VDD 需外接 1~10μF 电容滤波；
   • 低压模式（PVDD=1.71~1.89V）：LDO 禁用，需将 PVDD 与 VDD 短接，确保内核供电稳定；
   • 电源防护：建议在 PVDD 引脚串联保险丝（如 100mA）、并联 TVS 管（如 36V 双向），抵御电压瞬变。
2. 通信接口
   • SPI ：4 线接口（CS、SCLK、SDI、SDO），支持模式 1（CPOL=0、CPHA=1）与模式 2（CPOL=1、CPHA=0），时钟最高 12.5MHz，读操作需先启用 SDO（CONFIG.DSDO=0）；
   • UART ：仅支持 9600 波特率（8 位数据 + 1 位奇校验 + 1 位停止位），通过 UBM（UART Break Mode）触发通信，适用于简易低速场景；
   • 多器件配置 ：支持多片级联，共享 SCLK/SDI/SDO，独立 CS 控制，ALARM 引脚可线或连接，减少 MCU GPIO 占用。

六、典型应用场景

（一）4mA~20mA 回路变送器

• 应用架构 ：AFEx88101 输出 0.32.5V（高压模式），经 OPA333 运算放大器与 NPN 三极管组成电压 - 电流转换器，将电压转换为 325mA 电流（4mA 对应 0.4V，20mA 对应 2.0V）；
• 关键器件 ：采用 TLVH431B 作为分流调节器，TPS60402 作为隔离 DC/DC，ISO7021/ISO7041 实现数字信号隔离，满足工业现场的隔离与抗干扰需求；
• 电流预算 ：总功耗需≤3mA（回路最小电流），AFEx88101（170μA）+MCU（如 MSP430，<1mA）+ 传感器（<1mA）+ 隔离器件（<500μA）可满足要求。

（二）传感器信号调理

• 压力 / 温度变送器 ：传感器输出经放大后送入 AFEx88101 的 DAC，通过校准寄存器补偿传感器误差，诊断 ADC 监测传感器供电与输出，确保信号可靠性；
• 故障安全设计 ：若 ADC 检测到传感器开路（AIN0 输入超量程），触发 DAC 进入 CLEAR 状态，输出 3mA 故障电流，符合工业安全标准。

七、设计指南

（一）电源与去耦

• PVDD 去耦 ：靠近 PVDD 引脚并联 100nF 陶瓷电容（X7R 材质）+10μF 钽电容，抑制高频噪声；
• VREFIO 滤波 ：内置基准使能时，VREFIO 引脚需并联 70130nF C0G 电容（ESR 10mΩ400mΩ），确保基准稳定；
• 地平面设计 ：建议采用独立模拟地（AGND）与数字地（DGND），单点连接至 PVDD 地，避免数字噪声耦合至模拟电路。

（二）PCB 布局

1. 布局原则
   • 模拟部分（AIN0/AIN1、VREFIO、VOUT）与数字部分（SPI、UART）分开布局，距离≥5mm；
   • 高功率器件（如 DC/DC、功率三极管）远离模拟引脚，避免热耦合影响基准精度；
   • 热敏器件（如电阻串、基准电路）远离发热元件（如 LDO、LED），确保温度测量准确。
2. 关键引脚处理
   • VOUT 引脚：布线宽度≥0.5mm，避免串联电阻（输出阻抗典型 10mΩ），负载电容≤100pF（防止振荡）；
   • AIN0/AIN1：采用差分布线（若适用），长度匹配误差 < 1mm，并联 100pF 电容滤波（仅当输入噪声较大时）；
   • 热焊盘：24 引脚 UQFN 的热焊盘需连接至 AGND，建议打 4 个 0.3mm 过孔（间距 1mm），增强散热。

（三）初始化配置流程

1. 上电后等待 POR 完成（<100μs），发送 RESET 命令（SW_RST=0xAD），确保寄存器复位；
2. 配置 CONFIG 寄存器：禁用 UART（UART_DIS=1）、启用 SDO（DSDO=0）、禁用 CRC（可选，CRC_EN=0）；
3. 配置 DAC：设置 DAC_CFG.RANGE=0（全量程）、DAC_GAIN=0x8000（增益 1×）、DAC_OFFSET=0x0000（无偏移），写入 DAC_DATA=0x0BA2（对应 4mA）；
4. 配置 ADC：启用 ADC 缓冲（ADC_CFG.BUF_PD=0）、设置转换速率（CONV_RATE=0，3840Hz）、启动自动转换（TRIGGER.ADC=1）；
5. 配置 WDT：设置 WDT_UP=0x3（853ms）、WDT_LO=0x0（禁用下限）、启用 WDT（WDT_EN=1）；
6. 保存配置：若需掉电保存，将关键寄存器（如 DAC_DATA、ADC_INDEX_CFG）写入 OTP（通过 TRIGGER.SHADOWLOAD=1）。