AFE881H1 低功耗数模转换器（DAC）技术文档总结

16 位 AFE881H1 和 14 位 AFE781H1 （AFEx81H1） 是高度集成、高精度、极低功耗的数模转换器 （DAC），其电压输出专为支持 HART 的传感器-发射器应用而设计。

AFEx81H1 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HART认证的FSK调制解调器、10 ppm/°C基准电压源和诊断模数转换器（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：afe881h1.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。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 220 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：180 μA（典型值）
• 符合 HART 标准的物理层调制解调器
• 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，电流为10 ppm/°C（最大值）
• 内部1.2288MHz振荡器，带时钟输出
• 数字接口
  • 串行外设接口 （SPI）：DAC 和 HART 的共享总线
  • 通用异步接收-发射器 （UART）：DAC 和 HART 的共享总线
  • 两者：用于 DAC 的 SPI 和用于 HART 的 UART
• 故障检测：CRC位错误检查、窗口看门狗定时器、诊断ADC
• 数字DAC压摆率控制
• 宽工作温度：–55°C 至 +125°C

参数

方框图

一、产品概述

AFE781H1（14 位）与 AFE881H1（16 位）是专为回路供电系统设计的低功耗 DAC，采用 4mm×4mm 24 引脚 UQFN（RRU 封装），工作温度覆盖 - 55°C125°C，典型静态电流仅 180μA，支持 1.71V5.5V 宽电源范围（PVDD）。器件集成 HART® 物理层调制解调器、12 位诊断 ADC、1.25V 高精度电压基准（温漂最大 10ppm/°C）及 1.2288MHz 内部振荡器，可减少外部元器件数量，适配工业自动化、智能传感器变送器等场景，满足功能安全系统设计需求（提供配套安全文档）。

二、核心特性

1. 高精度 DAC 性能

（1）静态与动态指标

• 分辨率与线性度 ：AFE881H1 为 16 位单调 DAC，积分非线性（INL）最大 ±4LSB；AFE781H1 为 14 位，INL 最大 ±2LSB；两者总未调整误差（TUE）在 - 40°C~125°C 范围内最大 0.07% FSR，确保全温域精度。
• 输出范围 ：支持多档电压输出，适配不同电源场景：
  • 1.8V 供电（PVDD=1.71V1.89V）：0.15V1.25V（全量程）、0.2V~1.0V（窄量程）；
  • 5V 供电（PVDD=2.7V5.5V）：0.3V2.5V（全量程）、0.4V~2.0V（窄量程）；
• 动态性能 （典型值，TA=25°C）：
  • 输出噪声（0.1Hz~10Hz）：0.25LSBpp；噪声谱密度（1kHz）：180nV/√Hz（1.8V 供电）；
  • 建立时间：65μs（1/4~3/4 量程，±2LSB 精度）；压摆率：30mV/μs；
  • 电源抑制比（AC）：85dB（50Hz~60Hz 纹波），抗电源噪声能力强。

（2）灵活的输出控制

• 数字步进衰减器（DSA） ：无额外 DSA 硬件需求，通过 DAC 增益 / 偏移校准实现输出功率调节，支持线性 / 正弦波可编程摆率控制（步长 1128 码，时钟速率 2400Hz307.2kHz），避免输出电压突变。
• 故障安全输出 ：支持 NAMUR 标准故障输出（如低电平 0.15V/0.3V、高电平 1.25V/2.5V）或用户自定义值，可通过引脚或寄存器配置报警电压极性。

2. 集成 HART® 调制解调器

• 物理层合规 ：符合 HART® FSK 协议，支持 1200Hz（标记）/2200Hz（空格）频率偏移，接收灵敏度 80120mVpp，发射输出电压 400800mVpp（160Ω 负载），频率误差 ±1%（-40°C~125°C）。
• 数据传输 ：内置 32×9 位收发 FIFO 缓冲区，支持半双工 / 全双工模式（全双工用于自测试），通过 RTS/CD 引脚实现总线仲裁，避免数据冲突；支持 SPI 或 UART 接口与主机通信，UART 支持 9600/1200 波特率。

3. 诊断与功能安全

（1）12 位诊断 ADC

• 监测能力 ：支持 2 路外部模拟输入（AIN0/AIN1，0V~1.25V/2.5V 范围）与 5 路内部节点监测（VREF、PVDD、VDD、ZTAT 电压、DAC 输出 VOUT），转换速率 3.84kSPS，噪声最大 ±4LSB。
• 故障检测 ：可配置上下阈值与滞回（0127LSB），连续 N 次（18 次，可编程）超阈值触发报警，支持温度监测（内置温度传感器，精度 ±5°C），85°C 触发警告、130°C 触发错误。

（2）安全机制

• 故障响应 ：支持 CRC 帧错误检测、窗口看门狗定时器（WDT，1200Hz 时钟，超时范围 53ms~5.12s）、OTP 存储器 CRC 校验，故障时可触发中断（ALARM 引脚）、DAC 进入清零状态或高阻模式。
• 功能安全支持 ：提供功能安全设计文档，可用于满足 IEC 61508 等标准的安全相关系统，支持故障注入测试（FORCE_FAIL 寄存器）。

4. 低功耗与宽温稳定性

• 功耗优化 ：典型静态电流 180μA（PVDD=1.8V，DAC 零刻度），HART® 调制解调器工作电流仅 10μA，ADC 转换电流 10μA，适配回路供电系统低功耗需求；
• 电压基准 ：集成 1.25V 基准，初始精度 ±0.16%（25°C），温漂最大 10ppm/°C，输出噪声（0.1Hz~10Hz）7.5μVpp，支持外部基准输入（VREFIO 引脚）。

三、功能架构与工作原理

1. 核心架构

器件采用 “数字控制 - 模拟转换 - 诊断监测” 三段式架构，关键模块如下：

• 数字控制层 ：含 SPI/UART 接口（支持 CRC 错误检测）、寄存器配置单元、看门狗定时器、HART® 仲裁器与 FIFO 缓冲区，负责数据收发与系统控制；
• 模拟转换层 ：16/14 位电阻串 DAC、输出缓冲放大器、可编程摆率控制器，实现数字信号到模拟电压的转换，支持增益（0.5~1.499985）与偏移（2’s 补码）校准；
• 诊断监测层 ：12 位 SAR ADC、模拟多路选择器（MUX）、温度传感器、电压基准，监测内部电源、基准、DAC 输出及外部信号，异常时触发报警。

2. 关键工作模式

• 正常模式 ：DAC 根据输入代码输出对应电压，HART® 调制解调器可并行传输数据（FSK 信号叠加于 4mA-20mA 电流回路）；
• 清零模式 ：通过引脚（CLR_PIN）、寄存器（DAC_CFG.CLR）或报警触发，DAC 输出预设清零代码（DAC_CLR_CODE），范围由 DAC_CFG.CLR_RANGE 配置；
• 低功耗模式 ：DAC 输出缓冲器断电（DAC_CFG.PD=1），VOUT 进入高阻状态，静态电流降至最小；
• 自测试模式 ：HART® 支持内部全双工（MOD_OUT 内部短接至 RX_INF）或外部全双工（外部短接），验证收发链路；存储器内置自测试（MBIST）检测 FIFO SRAM 有效性。

四、电气特性

1. 电源与电流特性

电源参数	测试条件	典型值	最大值	单位
PVDD 电流（I_PVDD）	1.8V 供电，DAC 零刻度，ADC 静态	180	220	μA
	5V 供电，DAC 零刻度，ADC 静态	32	45	μA
VDD 电流（I_VDD）	1.8V 供电，内部基准使能	140	170	μA
基准电流（I_REFIO）	内部基准使能，无负载	52	70	μA
HART® 电流（I_HART）	调制解调器工作	10	-	μA

2. HART® 调制解调器特性

参数	测试条件	典型值	单位
接收灵敏度	内部滤波器，1200Hz 载波	100	mVpp
发射输出电压	160Ω 负载，AC 耦合	500	mVpp
载波检测时间	1200Hz 载波输入至 CD 引脚断言	3	波特
频率误差	-40°C~125°C	±1	%

3. 诊断 ADC 特性

参数	测试条件	典型值	最大值	单位
分辨率	-	12	-	位
积分非线性（INL）	全量程	±1	±4	LSB
偏移误差（OE）	校准后	±1.6	±10	LSB
转换速率	-	3.84	-	kSPS
输入电容	AIN0/AIN1 引脚	6	-	pF

五、引脚配置与封装

1. 封装规格

• 物理参数 ：4mm×4mm UQFN（RRU 封装），24 引脚，引脚间距 0.8mm，最大高度 0.7mm；底部裸露热焊盘需焊接至 AGND，配合散热过孔优化热性能（结到环境热阻 RθJA=103.1°C/W）；
• 可靠性 ：符合无铅焊接要求，MSL 等级 2（260°C 峰值回流焊，开封后 1 年存储），引脚镀层为镍钯金（NIPDAU），ESD 防护：人体放电模型（HBM）±2000V，带电器件模型（CDM）±500V。

2. 关键引脚分类

核心引脚按功能分为电源、模拟输入输出、数字控制、HART® 接口四类，关键引脚功能如下：

引脚类型	关键引脚示例	功能描述
电源引脚	PVDD（17）、VDD（13）、IOVDD（12）	PVDD 为主电源（1.71V5.5V），VDD 为内核电源（1.71V1.89V，可由内部 LDO 生成），IOVDD 为数字接口电源（1.71V~5.5V）
模拟输入输出	AIN0（15）、AIN1/POL_SEL（16）、VOUT（18）	AIN0/AIN1 为诊断 ADC 输入，POL_SEL 可切换为 ADC 输入或报警电压极性控制；VOUT 为 DAC 输出电压
数字控制引脚	CS（10）、SDI（8）、SDO（9）、SCLK（7）	SPI 接口，支持 12.5MHz 时钟速率，SDO 可配置为 IRQ 输出；RESET（6）为硬件复位引脚（低有效）
HART® 接口引脚	RX_IN（21）、RX_INF（22）、MOD_OUT（23）、CD（3）、RTS（4）	RX_IN/RX_INF 为 HART® FSK 输入（RX_INF 适配外部滤波器），MOD_OUT 为 FSK 输出，CD 为载波检测，RTS 为收发控制
基准引脚	VREFIO（19）、REF_EN（5）、REF_GND（20）	VREFIO 为基准输入 / 输出（内部基准使能时输出 1.25V），REF_EN 控制基准使能，REF_GND 为基准地

六、典型应用与设计建议

1. 典型应用场景

• 4mA-20mA 回路变送器 ：DAC 输出电压经电压 - 电流（V-I）转换器（如 OPA333 运放 + NPN 三极管）转换为 4mA-20mA 电流，HART® 信号叠加于电流回路实现双向通信，适配工业过程控制中的温度、压力传感器变送；
• 智能传感器节点 ：集成诊断 ADC 监测传感器信号与电源状态，看门狗与 CRC 确保数据可靠性，低功耗特性适配电池或回路供电的远程传感器。

2. 设计建议

（1）电源与基准设计

• 电源 decoupling ：PVDD、VDD、IOVDD 引脚就近并 100nF 陶瓷电容 + 1μF 钽电容，VREFIO 引脚并 70nF~130nF 电容（确保基准稳定）；
• 宽电压适配 ：PVDD<2.7V 时，需将 PVDD 与 VDD 短接，禁用内部 LDO；PVDD≥2.7V 时，内部 LDO 自动生成 1.8V VDD，VDD 引脚需并 1μF~10μF 电容。

（2）HART® 接口设计

• 信号耦合 ：RX_IN 引脚通过 2.2μF 电容 AC 耦合 HART® 信号，RX_INF 引脚接 680pF 电容（内部滤波器模式）；MOD_OUT 输出通过 1000pF 电容耦合至电流回路，避免直流偏移；
• 总线仲裁 ：半双工模式下，通过 RTS 引脚（低电平发射、高电平接收）或 MODEM_CFG.RTS 寄存器控制收发，CD 引脚监测载波存在，避免总线冲突。

（3）PCB 布局

• 分区布局 ：模拟区（VOUT、AIN0/AIN1、VREFIO）与数字区（SPI、HART®）严格分离，AGND 与 DGND 单点连接，避免地弹噪声；
• 热设计 ：裸露热焊盘与 AGND 平面大面积连接，添加 4~6 个 0.3mm 散热过孔，确保结温不超过 125°C（上限）；
• EMC 优化 ：时钟信号（CLK_OUT）远离模拟引脚，HART® 信号路径最短，关键模拟引脚添加 RC 滤波（如 AIN0 串 1kΩ 电阻 + 10nF 电容）。