本文討論Maxim力/檢測(cè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的應(yīng)用電路。應(yīng)用包括：可選固定增益DAC、可編程增益DAC、光電二極管偏置控制、電化學(xué)傳感器控制、數(shù)字可編程電流源、開(kāi)爾文負(fù)載檢測(cè)、溫度檢測(cè)和高電流DAC輸出。還簡(jiǎn)要介紹了各種DAC輸出配置。

力/檢測(cè)DAC是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)槌藗鹘y(tǒng)輸出外，它們還允許用戶訪問(wèn)輸出緩沖放大器的反相節(jié)點(diǎn)。這些DAC很有趣，因?yàn)樗鼈兲峁┝遂`活性，只需添加幾個(gè)簡(jiǎn)單的元件即可創(chuàng)建自定義DAC增益或其他有用的電路。

緩沖、電壓DAC輸出的類型

圖1顯示了三種常見(jiàn)的緩沖電壓輸出DAC。第一種具有由內(nèi)部電阻比（通常為+1.0、+1.638或+2.0V/V）定義的固定增益，并且沒(méi)有用于調(diào)整失調(diào)的規(guī)定。第二種類型也使用內(nèi)部電阻來(lái)設(shè)置固定增益，但同相增益運(yùn)算放大器拓?fù)渲械某＝拥仉娮璩轭^被引入外部引腳，允許失調(diào)調(diào)整。最終輸出類型為力/檢測(cè)，它提供了一個(gè)引腳，直接連接到輸出運(yùn)算放大器的反相端，從而產(chǎn)生了最大的靈活性。

圖1.DAC輸出類型：（a）無(wú)失調(diào)調(diào)整的固定增益，（b）帶失調(diào)調(diào)整的固定增益，（c）力/檢測(cè)。

前兩種DAC類型（圖1a和1b）的主要優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部電阻經(jīng)過(guò)調(diào)整，以提供低于±1%的典型增益誤差，并且它們?cè)谡麄€(gè)溫度范圍內(nèi)相互密切跟蹤，以提供低于10ppm的典型增益溫度系數(shù)。缺點(diǎn)是單通道固定增益，只能通過(guò)在DAC輸出后增加一個(gè)放大器來(lái)改變。后兩種DAC類型的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是失調(diào)誤差可以通過(guò)外部電路消除。力/檢測(cè)類型還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即可以在外部為給定應(yīng)用設(shè)置特定增益。力/檢測(cè)DAC的增益誤差在單位增益配置中指定（運(yùn)算放大器輸出和反相端子連接），外部電阻容差會(huì)產(chǎn)生額外的增益誤差。主要缺點(diǎn)是需要昂貴的分立電阻、電阻陣列或數(shù)字電位計(jì)來(lái)匹配固定增益DAC的增益容差和溫度漂移特性。

力/檢測(cè)DAC的最后一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它允許僅使用幾個(gè)簡(jiǎn)單的外部元件創(chuàng)建許多有用的電路。下一節(jié)將介紹幾個(gè)電路示例。

力/檢測(cè)DAC應(yīng)用電路

使用MAX5123的力/檢測(cè)輸出的自定義固定增益示例如圖2所示。本例采用內(nèi)部+1.25V基準(zhǔn)，增益設(shè)置為+2.20V/V，采用外部分立電阻，提供近似0至2.75V DAC輸出電壓范圍。

圖2.DAC具有+2.20V/V的可選固定增益。

通過(guò)組合力/檢測(cè)DAC和數(shù)字電位計(jì)，也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字可編程DAC增益。使用MAX5175/MAX5177 DAC和MAX5400/MAX5415數(shù)字電位器的兩個(gè)示例如圖3所示。兩款器件共享相同的SPI接口，允許使用四個(gè)數(shù)字接口信號(hào)（時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和兩個(gè)片選）實(shí)現(xiàn)只寫(xiě)功能。

圖3.使用數(shù)字電位計(jì)的可編程增益DAC：（a）更大的增益范圍，更低的增益設(shè)置分辨率，（b）更小的增益范圍，更高的增益設(shè)置分辨率。

在第一個(gè)電路（圖3a）中，MAX5175的增益由單個(gè)MAX5400數(shù)字電位器設(shè)置，上電時(shí)默認(rèn)增益為+1.992V/V。增益調(diào)諧分辨率在此默認(rèn)值附近為~±0.8%，表明+2.00V/V的增益可以設(shè)置在~±0.4%以內(nèi)。非線性增益范圍約為+1V/V至+255V/V，但可用增益上限將受到基準(zhǔn)電壓和電源電壓的限制。增益設(shè)置分辨率在較高增益下也會(huì)變差。該電路的一大優(yōu)點(diǎn)是增益溫度系數(shù)通常為~5ppm/°C，因?yàn)樗蓡蝹€(gè)電位計(jì)內(nèi)匹配良好的電阻設(shè)置。

第二電路（圖3b）使用雙路、8位MAX5415電位器設(shè)置14位MAX5173 DAC的增益。該電路的上電默認(rèn)增益正好為+2.00V，調(diào)諧分辨率在該增益值附近為<0.02%。由于使用兩個(gè)8位電位電位器，因此該電路在1至65的整個(gè)非線性增益范圍內(nèi)具有良好的調(diào)諧分辨率。雖然電位計(jì)之間的電阻溫度系數(shù)沒(méi)有規(guī)定，但它應(yīng)該接近各個(gè)電位計(jì)的典型5ppm/°C比例規(guī)格，因?yàn)樗鼈兌嘉挥谕还枭稀?/p>

圖3中的電路提供了兩全其美的優(yōu)勢(shì);力/檢測(cè)的增益設(shè)置靈活性，以及與固定增益DAC相當(dāng)?shù)木_增益（調(diào)整后）和低溫漂移。

圖4a和4b顯示了如何將力/檢測(cè)DAC的輸出運(yùn)算放大器配置為跨阻放大器。在這兩個(gè)例子中，光電二極管的電流輸出由跨阻放大器轉(zhuǎn)換為電壓。在第一種情況下，使用單個(gè)MAX5304 DAC來(lái)克服自身的失調(diào)電壓，并保證接地光電二極管上的輕微反向偏置。第二種是雙路MAX5156/57 DAC，用于在基準(zhǔn)電壓以下的任何電壓電平下對(duì)光電二極管進(jìn)行反向甚至零偏置。需要注意的是，現(xiàn)有的Maxim力/檢測(cè)DAC在FB引腳（輸出運(yùn)算放大器反相輸入）上的最大輸入偏置電流為100nA。對(duì)于某些光電二極管應(yīng)用來(lái)說(shuō)，該電流可能過(guò)高，可能需要具有較低輸入偏置電流的外部運(yùn)算放大器（如MAX4162），直到具有較低輸入偏置電流的力/檢測(cè)DAC可用。跨阻放大器拓?fù)涞牧硪粋€(gè)注意事項(xiàng)是確認(rèn)運(yùn)算放大器是穩(wěn)定的，尤其是在反相輸入端有容性負(fù)載的情況下。

圖4.光電二極管和跨阻放大器的偏置電壓控制：（a） 使用單 DAC 進(jìn)行接地反向偏置，（b） 使用雙 DAC 進(jìn)行電平偏移零或反向偏置。

另一種跨阻應(yīng)用如圖5所示。在本例中，DAC為電化學(xué)傳感器提供直流電壓偏置，傳感器的輸出電流由DAC的跨阻放大器轉(zhuǎn)換為電壓。電化學(xué)（或更一般的伏安）傳感器通常用于醫(yī)療應(yīng)用，力/檢測(cè)DAC是自然選擇。

圖5.電化學(xué)傳感器的電壓偏置控制。

力/檢測(cè)DAC也可以使用圖6所示的拓?fù)渑渲脼閿?shù)字可編程電流源（實(shí)際上是灌電流）。假設(shè)DAC輸出有足夠的裕量來(lái)驅(qū)動(dòng)NPN BJT的~0.7V基極-發(fā)射極電壓，反饋將使電阻兩端的電壓（及其電流）保持在無(wú)緩沖的R-2R梯形輸出電壓（VR2R).由于BJT的有限beta，BJT集電極的輸出電流將略低于編程電阻電流。在某些應(yīng)用中，這可能需要校準(zhǔn)輸出電流。一種補(bǔ)救措施是使用 MOSFET 代替 BJT，因?yàn)樗穆O電流幾乎等于其在直流或低頻時(shí)的源電流。

該電路的常見(jiàn)用途包括工業(yè)控制應(yīng)用中的通用電流源、精密LED驅(qū)動(dòng)電流和4-20mA電流環(huán)路。

圖6.數(shù)字可編程電流源。

通過(guò)使用開(kāi)爾文檢測(cè)，即使DAC輸出和負(fù)載之間的串聯(lián)阻抗相對(duì)較高，力/檢測(cè)DAC也能夠在負(fù)載上提供所需的電壓。同樣，這假設(shè)DAC輸出有足夠的裕量來(lái)驅(qū)動(dòng)串聯(lián)和負(fù)載阻抗形成的分壓器。用戶應(yīng)確認(rèn)輸出運(yùn)算放大器對(duì)于反饋環(huán)路中的所有預(yù)期阻抗值都是穩(wěn)定的。

圖7.負(fù)載時(shí)帶開(kāi)爾文感測(cè)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

現(xiàn)在有幾種產(chǎn)品使用分立二極管或晶體管P-N結(jié)進(jìn)行遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)。這些器件使用 2（或更多）電流的比值以及二極管方程來(lái)確定以開(kāi)爾文為單位的溫度。

圖8所示為簡(jiǎn)單的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，MAX5302 DAC用于驅(qū)動(dòng)連接成二極管的晶體管。電流（1023 個(gè)可能值）由接地電阻兩端的 DAC 輸出電壓 （VR/R）以及由此產(chǎn)生的正向偏置P-N結(jié)電壓（VD）采用MAX1408 ADC進(jìn)行差分測(cè)量。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很方便，因?yàn)槭褂孟嗤碾娮鑱?lái)設(shè)置兩個(gè)電流，并且電流比大約是DAC碼字的比率。例如，DAC代碼1000（十進(jìn)制）和500（十進(jìn)制）產(chǎn)生2：1的電流比，可直接用于二極管方程計(jì)算。會(huì)有一些DAC誤差項(xiàng)，如失調(diào)、INL和增益，影響比率，但這些誤差相對(duì)較小。如果需要更高的精度，可以使用ADC測(cè)量強(qiáng)制電阻電壓（VR） 在每個(gè) DAC 代碼中。應(yīng)注意該電路，以確保運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性，特別是對(duì)于具有長(zhǎng)引線和大寄生效應(yīng)的遠(yuǎn)距離P-N結(jié)。

圖8.用于溫度檢測(cè)的二極管電流驅(qū)動(dòng)。

圖9所示的最終應(yīng)用電路是MAX5352/53力/檢測(cè)DAC，帶有發(fā)射極跟隨器BJT級(jí)，用于增加輸出電流驅(qū)動(dòng)。此拓?fù)漕愃朴趫D6所示的電流源，不同之處在于集電極連接到V抄送（共集電極），輸出是發(fā)射極的電壓，而不是集電極上的電流。與以前的許多電路一樣，一個(gè)關(guān)鍵要求是DAC輸出有足夠的裕量來(lái)驅(qū)動(dòng)BJT的基極-發(fā)射極結(jié)~0.7V高于最大輸出電壓。

圖9.通過(guò)發(fā)射極-跟隨器驅(qū)動(dòng)增加DAC輸出電流。

審核編輯：郭婷