AFE432A3W/AFE532A3W 技术文档总结

10 位 AFE532A3W 和 8 位 AFE432A3W （AFEx32A3W） 是 3 通道、缓冲电压输出、电流输出和 ADC 输入、智能模拟前端 （AFE）。AFEx32A3W 支持用于激光二极管和微型电机线性控制的电流源。这些器件支持Hi-Z掉电模式和电压输出断电条件下的Hi-Z输出。通道1可配置为ADC、电压输出DAC或比较器。电压输出DAC提供力检测选项，用作可编程比较器和电流吸收器。多功能 GPIO、功能生成和可编程非易失性存储器 （NVM） 使这些智能 AFE 能够实现无处理器应用和设计重用。这些器件可自动检测 SPI 或 I2C 接口，并包含内部基准电压源。
*附件：afe432a3w.pdf

AFEx32A3W 功能集与微型封装和低功耗相结合，使这些智能 AFE 成为无源光网络 （PON） 和其他工业激光应用中激光二极管功率控制和电吸收调制激光器 （EML） 控制的绝佳选择。

特性

• 电流源DAC：
  • 1LSB DNL
  • 两个量程：300mA 和 220mA
  • 770mV 动态余量
• 双电压输出DAC：
  • 1LSB DNL
  • 收益为 1 ×、1.5 ×、2 ×、3 ×和 4 ×
• 通道1上的ADC输入
• 通道1上的可编程比较器模式
• VDD关闭时的高阻抗输出
• 高阻抗和电阻下拉掉电模式
• 50MHz SPI 兼容接口
• 自动检测 I2C 或 SPI
  • 1.62V VIH，VDD = 5.5V
• 通用输入/输出 （GPIO） 可配置为多种功能
• 预定义波形生成：正弦波、余弦波、三角波、锯齿波
• 用户可编程非易失性存储器 （NVM）
• 内部或电源作为参考
• 工作范围广：
  • 电源：3V至5.5V
  • 温度：–40°C 至 +125°C

参数

方框图

一、产品概述

AFE432A3W（8 位）与 AFE532A3W（10 位）是德州仪器推出的三通道智能模拟前端（AFE） ，核心优势在于多功能集成（电压输出、电流输出、ADC 输入）、低功耗（正常模式电流≤172μA）及小型化封装（16 引脚 DSBGA，1.76mm×1.76mm），专为光模块、激光控制、工业传感器等场景设计。通过可编程波形生成、非易失性存储器（NVM）及自动接口检测（I²C/SPI），实现无处理器独立运行，同时支持高压电流驱动（最大 300mA）与高精度信号采集，适配复杂模拟信号处理需求。

二、核心特性

（一）多通道多功能集成

• 通道配置 ：3 个通道分工明确，通道 0 为固定电压输出 DAC，通道 1 可配置为电压输出 DAC / 比较器 / ADC 输入，通道 2 为固定电流输出 DAC（IDAC），支持单设备完成信号生成、检测与采集；
• 分辨率与线性度 ：AFE532A3W（10 位）积分非线性（INL）最大 ±1.25LSB，微分非线性（DNL）最大 ±1LSB；AFE432A3W（8 位）INL 最大 ±1LSB，DNL 最大 ±1LSB，确保高精度信号转换；
• 输出能力 ：电压输出范围 0~VDD（支持 1×/1.5×/2×/3×/4× 增益），电流输出支持 300mA（IOUT-GAIN=000b）与 220mA（IOUT-GAIN=001b）两档，最小输出电压裕量 770mV（300mA 输出时）。

（二）低功耗与宽工作范围

• 功耗优化 ：正常模式下 VDD 电流典型 172μA（三通道使能），掉电模式（内部基准关闭）电流≤28μA，适配电池供电场景；
• 供电与温度 ：单电源供电 35.5V（PVDD 与 VDD 短接），工作温度 - 40125°C，结温最高 150°C，满足工业级环境要求；
• 关断特性 ：VDD 关闭时输出自动进入高阻态（Hi-Z），泄漏电流≤500nA（VOUT≤5.5V），避免系统断电时信号干扰。

（三）智能功能与可靠性

1. 波形生成与控制
   • 支持正弦、余弦、三角波、锯齿波预定义波形，频率可通过步长（132LSB）与周期（4μs5.12ms / 步）编程调整；
   • 数字摆率控制：线性 / 对数摆率可选，线性摆率最小 4μs / 步，对数摆率按 3.125% 比例递增 / 递减，适配激光功率渐变等场景。
2. 故障防护与存储
   • 集成 NVM（擦写寿命 20000 次 @-40~85°C），支持寄存器配置参数永久存储，上电自动加载，避免重复配置；
   • 故障检测：NVM 循环冗余校验（CRC）、过温保护（无自动热关断，需外部监控结温）、比较器窗口告警，FAULT 引脚可配置告警触发源；
   • 防护功能：PROTECT 引脚触发时，输出可按预设逻辑（高阻 / 预设代码 / 摆率切换）切换，避免系统故障时器件损坏。
3. 灵活接口与控制
   • 自动接口检测：上电后自动识别 I²C（支持标准模式 100kbps / 快速模式 400kbps / 快速 + 模式 1Mbps）或 SPI（最高 50MHz），无需硬件配置；
   • GPIO 多功能：可配置为 LDAC（加载 DAC 数据）、RESET（器件复位）、STATUS（状态输出）等 8 种功能，支持无通信接口时手动控制。

（四）高精度信号处理

• ADC 采集 ：通道 1 可配置为 10 位 ADC，输入范围 0~VDD/3，采样率最高 2008SPS（4 次平均），INL 最大 ±2LSB，适配传感器信号采集；
• 比较器模式 ：通道 1 支持可编程滞回（通过 MARGIN-HIGH/LOW 寄存器设置）、窗口比较器与锁存比较器，响应时间典型 10μs（推挽输出，25pF 负载）；
• 噪声性能 ：电压输出噪声（0.1~10Hz）典型 50μVpp（VDD=5.5V），电流输出噪声密度（1kHz）典型 159nA/√Hz，确保低噪声信号驱动。

三、器件信息与电气规格

（一）型号差异与封装

型号	分辨率	封装类型	引脚数	关键差异
AFE432A3W	8 位	16 引脚 DSBGA（YBH）	16	电流输出增益误差最大 16.6% FSR，电压输出 INL±1LSB
AFE532A3W	10 位	16 引脚 DSBGA（YBH）	16	电流输出增益误差最大 16.6% FSR，电压输出 INL±1.25LSB，支持更高精度信号生成

（二）热学特性（16 引脚 DSBGA）

热参数	值	单位
结到环境热阻（RθJA）	81.2	°C/W
结到顶部外壳热阻（RθJC (top)）	0.3	°C/W
结到板热阻（RθJB）	20.3	°C/W
结到顶部特征参数（ΨJT）	0.2	°C/W
结到板特征参数（ΨJB）	20.3	°C/W

（三）核心电气参数（TA=-40~125°C，VDD=3.3V）

参数	AFE532A3W（10 位）	AFE432A3W（8 位）	测试条件
电压输出 INL	±1.25LSB	±1LSB	VDD=5.5V，增益 = 1×
电流输出 INL	±1.25LSB	±1LSB	IOUT=300mA，二极管负载
电压输出噪声（0.1~10Hz）	50μVpp	50μVpp	midscale，VDD=5.5V
电流输出噪声密度（1kHz）	159nA/√Hz	159nA/√Hz	IOUT=100mA，电感负载
ADC INL	±2LSB	±2LSB	输入范围 0~VDD/3，4 次平均
电源抑制比（AC，50Hz）	-68dB	-68dB	内部基准，增益 = 4×

四、功能模块详解

（一）模拟输出模块

1. 电压输出 DAC（通道 0/1）
   • 参考源选择 ：支持内部 1.21V 基准（温度系数 73ppm/°C，初始精度 ±0.36%）或 VDD 作为参考，内部基准需通过 COMMON-CONFIG 寄存器（0x1F）启用，VREFIO 引脚需并联 150nF 滤波电容；
   • 增益配置 ：通道 0 通过 DAC-0-GAIN-CONFIG 寄存器（0x0F）选择增益，通道 1 通过 DAC-1-GAIN-CMP-CONFIG 寄存器（0x15）选择，增益 = 1× 时参考为 VDD，增益≥1.5× 时强制使用内部基准；
   • 输出特性 ：输出阻抗典型 500kΩ（增益 = 1×），容性负载最大 1μF（CCOMP 引脚并联 470pF 补偿电容），短路电流典型 60mA（VDD=5.5V），具备短路保护。
2. 电流输出 DAC（通道 2）
   • 输出公式 ：IOUT**=2NDA C _DATA ​ ×GAIN**× 0.5241 （N 为分辨率，GAIN 为 IOUT-GAIN 设置），例如 AFE532A3W 输出 200mA 需配置 DAC_DATA=586d（0x24A）；
   • 负载适配 ：支持二极管负载（激光二极管）与电感负载（电机），输出电流稳定度 ±0.5LSB/V（VDD 变化 3.5~4.5V 时），适合高精度电流驱动场景；
   • 功耗控制 ：输出电压裕量直接影响功耗，裕量 = PVDD-IOUT×R_LOAD，建议最小裕量 770mV 以避免结温过高（无自动热关断，需外部监控）。

（二）ADC 与比较器模块

1. ADC 输入（通道 1）
   • 配置流程 ：需先将通道 1 配置为比较器（CMP-1-EN=1），FB1 引脚接 VDD 上拉，VOUT1/AIN1 为模拟输入，通过 ADC-CONFIG-TRIG 寄存器（0x1D）启用 ADC 并设置采样平均次数（4/8/16/32 次）；
   • 采集特性 ：输入范围 0~VDD/3（内部基准增益 = 1× 时），数据率最高 2008SPS（4 次平均），偏移误差最大 ±5mV，增益误差最大 ±1% FSR，适配低幅度传感器信号采集；
   • 数据读取 ：触发 ADC 转换后，通过 ADC-DATA 寄存器（0x1E）读取结果，ADC-DRDY bit 置 1 表示数据有效。
2. 比较器模式（通道 1）
   • 工作模式 ：支持无滞回（CMP-1-MODE=00b）、滞回（01b，通过 MARGIN-HIGH/LOW 设置阈值）、窗口比较（10b，检测输入是否在阈值范围内），输出可配置为推挽 / 开漏（CMP-1-OD-EN）；
   • 响应速度 ：典型 10μs（输入阶跃 ±2LSB，推挽输出，25pF 负载），适合快速过压 / 欠压检测；
   • 锁存功能 ：当 MARGIN-HIGH = 满量程或 MARGIN-LOW = 零量程时，比较器输出锁存，需通过 RESET-CMP-FLAG-1 bit 复位，避免误触发。

（三）数字控制与存储模块

1. NVM 与配置存储
   • 存储内容 ：支持寄存器配置（如增益、输出范围、GPIO 功能）存储至 NVM，上电后自动加载，掉电不丢失，擦写寿命 20000 次（-40~85°C）、1000 次（125°C）；
   • CRC 校验 ：NVM 数据存储时自动生成 16 位 CRC（CRC-16-CCITT），上电时校验，NVM-CRC-FAIL-USER bit 置 1 表示用户数据损坏，需重新编程；
   • 故障转储 ：触发 FAULT-DUMP 后，自动保存 CMP-STATUS、DAC 数据、ADC 数据至 NVM，用于故障后溯源，通过 SRAM 寄存器读取转储数据。
2. 波形生成与摆率控制
   • 预定义波形 ：支持三角波（频率 = 1/(2×TIME_STEP× 步长数)）、锯齿波（频率 = 1/(TIME_STEP× 步长数)）、正弦波（24 点 / 周期，频率 = 1/(24×TIME_STEP)），相位可配置 0°/90°/120°/240°；
   • 摆率控制 ：线性摆率步长 132LSB 可选，时间周期 4μs5.12ms / 步；对数摆率按 3.125% 比例变化，适合激光功率渐变、传感器校准等场景；
   • 同步控制 ：多通道可通过 SYNC-CONFIG-x 寄存器配置同步更新，支持 LDAC 引脚或寄存器触发，避免通道间相位差。
3. 接口与 GPIO 控制
   • 自动接口检测 ：上电后根据首个通信协议识别 I²C 或 SPI，I²C 支持 4 个地址（A0 引脚接 AGND/VDD/SDA/SCL），SPI 支持 3 线（默认）/4 线（SDO 通过 GPIO 启用），最高 50MHz 时钟；
   • GPIO 多功能 ：GPIO/SDO 引脚可配置为 8 种输入功能（如 PROTECT 触发、LDAC 控制、RESET）与 6 种输出功能（如 ADC-DRDY、DAC-BUSY），支持无通信接口时手动控制，例如配置为 PROTECT 输入，触发后输出切换至预设状态。

五、典型应用场景

（一）激光二极管（LD）驱动系统

• 应用架构 ：AFE532A3W 通道 2（IDAC）输出 200mA 电流驱动激光二极管，通道 0（电压输出 DAC）通过反相运放生成 - 3.3~0V 电压，控制激光调制器（EAM）；通道 1（ADC）采集光电二极管反馈信号（通过 RSENSE 电阻转换为电压），实现功率闭环控制；
• 关键配置 ：启用内部基准（EN-INT-REF=1），IDAC 配置 IOUT-GAIN=000b（300mA 量程），DAC_DATA=586d（200mA）；电压输出 DAC 增益 = 1×（VDD=3.3V），反相运放增益 - 1，实现 - 3.3V 输出；ADC 启用 4 次平均，采样率 1406SPS；
• 可靠性设计 ：GPIO 配置为 PROTECT 输入，激光过流时触发，IDAC 切换至高阻态；NVM 存储配置参数，上电自动加载，避免重复初始化。

（二）工业传感器信号调理

• 应用架构 ：传感器（如压力传感器）输出 01V 信号，经通道 1（ADC）采集（输入范围 01.1V，VDD=3.3V），通道 0 输出 0~3.3V 校准电压，补偿传感器漂移；通道 2 输出 100mA 电流为传感器供电，实现 “供电 - 采集 - 校准” 一体化；
• 关键配置 ：ADC 配置 16 次平均，降低噪声；电压输出 DAC 增益 = 3×（内部基准 1.21V，输出 0~3.63V），通过 MARGIN-HIGH/LOW 设置校准阈值；电流输出 IOUT-GAIN=001b（220mA 量程），DAC_DATA=384d（100mA）；
• 低功耗优化 ：空闲时通道 2 进入掉电模式（DAC-PDN-2=11b），电流降至 28μA，适配电池供电的便携式设备。

六、设计指南

（一）电源与去耦

• 电源布局 ：VDD 与 PVDD 短接，采用低阻抗 PCB 走线（建议≥0.2mm 宽），靠近引脚放置 10μF 钽电容 + 0.1μF 陶瓷电容（X7R 材质），CAP 引脚（内部 LDO）并联 1.5μF 陶瓷电容，抑制电源噪声；
• 接地设计 ：AGND（模拟地）与 PGND（功率地）单点连接至 VDD 地，DSBGA 封装热焊盘需连接 AGND，打 4 个 0.3mm 过孔（间距 1mm），增强散热与噪声隔离；
• 电压裕量 ：电流输出时确保 PVDD≥IOUT×R_LOAD+770mV，例如驱动 200mA/10Ω 负载，PVDD 需≥200mA×10Ω+0.77V=2.77V，推荐使用 3.3V 供电。

（二）PCB 布局要点

1. 信号隔离 ：模拟信号（VOUT、AIN1、FB1）与数字信号（SCLK、SDI、SYNC）分开布局，间距≥0.5mm，避免数字噪声耦合；电流输出（IOUT）走线宽≥0.5mm（1oz 铜），减少线路压降；
2. 反馈设计 ：通道 1（比较器 / ADC）FB1 引脚走线短且直，避免寄生电容影响比较器响应速度；电压输出 DAC 的 FB1 引脚（通道 1）需短接至 VOUT1/AIN1，形成闭环，确保输出精度；
3. 防护设计 ：IOUT 引脚并联 TVS 管（如 SMBJ5.0CA），防护 ESD；ADC 输入引脚串联 1kΩ 电阻，限制输入电流，避免传感器故障时损坏器件。

（三）初始化配置流程

1. 上电后等待 5ms（boot-up 时间，CAP 引脚 1.5μF 电容），通过 I²C/SPI 写入配置：
   • 启用内部基准：COMMON-CONFIG 寄存器（0x1F）设置 EN-INT-REF=1；
   • 配置通道 2（IDAC）：DAC-2-GAIN-CONFIG（0x03）设置 IOUT-GAIN=000b，DAC-2-DATA（0x19）写入目标电流代码；
   • 配置通道 0（电压输出）：DAC-0-GAIN-CONFIG（0x0F）设置增益 = 1×，DAC-0-DATA（0x1B）写入目标电压代码；
   • 配置通道 1（ADC）：DAC-1-GAIN-CMP-CONFIG（0x15）设置 CMP-1-EN=1、REF-GAIN-1=001b，ADC-CONFIG-TRIG（0x1D）设置 ADC-EN=1、ADC-AVG=00b（4 次平均）；
2. 保存配置至 NVM：COMMON-TRIGGER 寄存器（0x20）设置 NVM-PROG=1，等待 200ms（NVM 编程时间）；
3. 验证配置：读取 GENERAL-STATUS 寄存器（0x22），确认 NVM-BUSY=0、DAC-BUSY=0，配置生效。