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：afe88101.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

• • 可用于帮助功能安全系统设计的文档：AFE88101、AFE78101
• 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、产品概述与型号差异

AFEx8101 系列是高度集成的低功耗数模转换器件，核心定位是在环路供电系统中实现精准电压输出，配合外围电路可转换为 4mA~20mA 电流信号，两款型号仅分辨率不同，其他功能与封装完全兼容，便于系统灵活选型。

1. 型号核心差异

型号	分辨率	核心特点	适配场景
AFE78101	14 位	中精度、低功耗，成本更优	对精度要求适中的工业传感器
AFE88101	16 位	高精度（总未调整误差 TUE≤0.07% FSR）	高精度过程控制、医疗设备

2. 基础参数总览

类别	关键指标	说明
封装规格	4mm×4mm 24 引脚 UQFN（RRU 封装）	无铅封装，0.7mm 最大高度，适配高密度布局
工作温度	-55℃~+125℃	满足工业级宽温环境需求
供电范围	PVDD：1.71V5.5V；IOVDD：1.71V5.5V	支持低压（1.8V）与高压（2.7V~5.5V）供电
静态电流	典型 170μA（PVDD=1.8V 时）	极低功耗，适配环路供电低电流预算要求
核心集成	12 位诊断 ADC、1.25V 基准、看门狗定时器	减少外围器件，简化环路供电系统设计

二、核心功能与性能参数

1. 高精度 DAC 模块

作为核心功能，DAC 模块支持多范围电压输出，配合校准功能可实现高线性度与低误差，适配不同环路电流需求：

（1）性能参数

• 分辨率与精度 ：
  • AFE78101（14 位）：微分非线性（DNL）±1 LSB，积分非线性（INL）±4 LSB；
  • AFE88101（16 位）：总未调整误差（TUE）最大 0.07% FSR（-40℃~+125℃），零码误差 0.04% FSR（25℃），增益误差温度漂移 ±3ppm/℃；
• 输出范围 ：
  • 低压供电（PVDD=1.71V1.89V）：0.15V1.25V（全范围）、0.2V1V（窄范围，对应 4mA20mA）；
  • 高压供电（PVDD=2.7V5.5V）：0.3V2.5V（全范围）、0.4V~2V（窄范围）；
• 动态性能 ：
  • 输出噪声（0.1Hz~10Hz）：典型 0.25LSB（PVDD=1.8V）；
  • 建立时间：65μs（1/4~3/4 量程，±2LSB）；
  • 压摆率：2V/μs，支持线性 / 正弦波斜率控制，避免输出信号突变。

（2）关键功能

• 增益与偏移校准 ：通过 DAC_GAIN（0.5~1.499985 可调）与 DAC_OFFSET（2's 补码）寄存器，补偿系统误差，提升输出精度；
• 清零功能 ：支持硬件（SCLR 引脚）、软件（DAC_CFG.CLR 位）、报警触发三种清零方式，清零后输出预设电压（可配置），保障故障安全；
• 掉电模式 ：DAC 输出缓冲可关断，进入高阻态，降低待机功耗。

2. 诊断 ADC 与监控功能

集成 12 位 SAR ADC，专为器件自诊断与外部信号监测设计，可实时检测系统异常，提升可靠性：

（1）ADC 性能参数

• 分辨率与速率 ：12 位，转换速率 3.84kSPS，差分非线性（DNL）±1 LSB，积分非线性（INL）±4 LSB；
• 输入范围 ：01.25V（PVDD≤2.7V）或 02.5V（PVDD>2.7V），支持 2 路外部模拟输入（AIN0/AIN1）与 8 路内部节点监测；
• 监测对象 ：
  • 外部：AIN0/AIN1 可监测外部传感器信号、供电电压；
  • 内部：DAC 输出（VOUT）、电源（PVDD/VDD）、基准电压（VREF）、芯片温度、零温度系数电压（ZTAT）。

（2）诊断与报警机制

• 故障检测 ：支持 ADC 超限、CRC 帧错误、看门狗超时、基准异常、芯片过温（>130℃）/ 高温警告（>85℃）等故障检测；
• 报警响应 ：故障时可触发三种动作 ——DAC 进入清零状态、输出报警电压（高 / 低可配置）、DAC 输出高阻，ALARM 引脚（漏极开路）同步拉低提示；
• 防误报设计 ：ADC 支持 1~8 次连续故障计数（FLT_CNT 配置），仅连续超限才触发报警，避免单次干扰导致误判。

3. 其他核心模块

（1）高精度电压基准

内置 1.25V 带隙基准，支持外部基准输入，保障 DAC/ADC 精度稳定性：

• 性能 ：初始精度 ±0.16%（25℃），温度漂移 10ppm/℃，0.1Hz~10Hz 噪声 7.5μVpp；
• 灵活性 ：通过 REF_EN 引脚控制基准使能，VREFIO 引脚可输出基准（最大 sourcing 电流 2.5mA）或接入外部 1.25V 基准。

（2）低功耗与时钟管理

• 功耗优化 ：1.8V 供电时静态电流仅 170μA，高压供电时可通过内部 LDO 稳定 VDD，兼顾精度与功耗；
• 时钟模块 ：内置 1.2288MHz 振荡器，CLK_OUT 引脚可输出时钟（支持 1.2288MHz 或 9600Hz 分频），无需外部时钟源。

（3）数字接口

支持 SPI 与 UART 两种通信方式，适配不同主控芯片：

• SPI ：最高 12.5MHz 时钟，支持 32 位帧（含 8 位 CRC）或 24 位帧（无 CRC），默认启用 CRC 校验，提升抗干扰能力；
• UART（UBM 模式） ：9600 波特率，8 位数据 + 1 位奇校验 + 1 位停止位，支持中断请求（IRQ）输出，适配低速远距离通信。

三、功能架构与典型应用

1. 核心架构

采用 “数字控制 - 模拟输出 - 诊断监控” 三层架构，模块协同实现高可靠性：

• 数字控制层 ：含 SPI/UART 接口、寄存器配置、看门狗定时器，负责指令解析与状态管理；
• 模拟输出层 ：DAC 核心（电阻串架构）+ 输出缓冲，实现精准电压输出，支持斜率控制与清零；
• 诊断监控层 ：12 位 ADC + 多路选择器，监测内部电源、基准、温度与外部信号，配合报警逻辑触发故障响应。

2. 典型应用场景：4mA~20mA 环路供电变送器

（1）应用原理

AFEx8101 输出 0.4V2V 电压（窄范围），通过运放与晶体管组成的电压 - 电流（V-I）转换电路，将电压信号转换为 4mA20mA 电流，适配环路供电系统：

• 核心电路 ：OPA333 运放作为反馈放大器，NPN 晶体管（如 PZT2907A）作为电流驱动，40.2Ω 采样电阻实现电流反馈；
• 电流计算 ：当 DAC 输出 0.4V 时，对应 4mA 电流；输出 2V 时，对应 20mA 电流，全范围（0.3V2.5V）可覆盖 3mA25mA，支持故障状态指示。

（2）关键设计要点

• 供电设计 ：环路电压 12V~36V，通过 TLVH431B 分流稳压器与 TPS60402 DC/DC 转换器，为器件提供 3.3V 供电，同时满足低功耗要求（总电流≤3mA）；
• 隔离设计 ：采用 ISO7021/ISO7041 数字隔离器，实现信号与电源隔离，避免工业环境干扰；
• 保护设计 ：输入侧加入 36V 双向 TVS 二极管与整流桥，防止反向接线与电压瞬态冲击。

四、电气特性与设计建议

1. 关键电气特性（典型值，TA=25℃，PVDD=1.8V，VREF=1.25V）

参数类别	指标	测试条件
DAC 性能	总未调整误差（TUE）	AFE88101：-40℃~+125℃≤0.07%FSR
	输出噪声密度	1kHz 时 180nV/√Hz
	电源抑制比（AC）	50Hz~60Hz 干扰，85dB
ADC 性能	输入偏置电流	未转换时 ±50nA
	温度传感器精度	-40℃~+125℃范围内 ±5℃
基准性能	温度漂移	10ppm/℃
	负载调整率	0mA~2.5mA sourcing 时 0.3μV/mA
功耗	PVDD 静态电流	DAC 零码，ADC 静态：典型 170μA
	IOVDD 静态电流	SPI 静态：典型 5μA

2. 设计建议

（1）电源与基准设计

• 去耦电容 ：PVDD、VDD、IOVDD 引脚就近并 100nF 陶瓷电容（X7R 材质），VDD 额外并 1μF~10μF 钽电容，抑制电源噪声；
• 基准稳定 ：VREFIO 引脚需并 70nF130nF 电容（ESR 10mΩ400mΩ），确保基准输出稳定，若使用外部基准，需保证输入电压 1.2V~1.3V。

（2）PCB 布局

• 隔离分区 ：模拟部分（DAC 输出、基准、ADC 输入）与数字部分（SPI/UART、GPIO）严格分区，模拟地与数字地单点连接，避免串扰；
• 热设计 ：UQFN 封装底部热焊盘需连接至大面积接地铜皮，配合散热过孔，降低结温（结到环境热阻 RθJA=103.1℃/W）；
• 敏感信号保护 ：DAC 输出（VOUT）、基准（VREFIO）布线远离数字时钟线（SCLK），减少高频干扰。

（3）通信与校准

• SPI 配置 ：默认启用 CRC 校验（32 位帧），若禁用 CRC 需发送 24 位帧，且 CS 引脚高低电平时间需满足≥80ns（CSHIGH）、≥30ns（CSS/C SH）；
• DAC 校准 ：上电后建议先校准增益与偏移 ——AFE88101 通过 DAC_GAIN（0x8000 对应增益 1.0）与 DAC_OFFSET（0x0000 对应无偏移）寄存器，补偿系统误差；
• 看门狗配置 ：使能 WDT（WDT_EN=1），设置超时上限（WDT_UP，默认 853ms），避免通信中断导致系统失控。