工业 DAC：3 线模拟输出的演变

作者：Kevin Duke，TI公司

图 1 是 3 线模拟输出模块图。该模块使用双通道 DAC8562 数模转换器 (DAC) 驱动支持高电压、36V OPA192 运算放大器的电压与电流输出级。

电流输出是一个双级、高侧、电压至电流转换器。由放大器 A2、MOSFET Q2 和检测电阻器 RB 组成的第二级电路可为负载提供输出电流。A2 可在反相输入节点上感测整个 RB 上的压降，从而可通过负反馈调节输出电流。这样可确保其等于应用在非反相输入端的电压。

如果单独使用该级，高侧电源上的噪声或其它开关瞬态将直接对输出产生噪声。这是因为在 A2 非反相输入端的电压不会与高侧电压成比例变化。

要避免这个问题，应在设计中加入第一级，创建可增强系统对高侧电源噪声抗扰度的电流反射镜。第一级使用放大器 A1、MOSFET Q1 和电阻 RSET 创建电流汲极。

在本方框图中，A1 采用负反馈驱动 Q1 的栅极。这样可调节通过 Q1 的电流，使在 RSET 高侧产生的电压等于 A1 非反相输入端的电压。流过 RA 的电流在 A2 的非反相输入端产生一个可驱动第二级电路的高侧电源压降。

电阻器 RA 和 RB 的比例可增大流过第一级中 RSET 的电流，使其成为提供给负载的电流输出。由于流过第一级的所有电流都流向接地，而非负载，因此由 RA 和 RB 设置的增益可直接设定系统效率。

查看我们包括所有工作原理、组件选择、稳定性指标、修改、PCB 布局以及测量结果的 TI Designs 验证参考设计 (TIPD102)，深入了解如何设计这种电压至电流转换器。


图 1

与电流输出相比，图 1 所示设计的电压输出级要容易理解得多。本电路中的放大器 A3 采用修改的加法放大器配置。RFB 和 RG1 可为应用在非反相输入端的 DAC 输出提供增益。同时，RFB 和 RG2 使用 DAC 的参考电压为输出信号提供补偿，而该信号则可通过 RFB 和 RG2 的比率进行缩放。

这种多功能电路可通过正确的电阻器值将大多数常见低电压 DAC 输出调节成 0-5V、0-10V、+/-5V 和 +/-10V 的常用工业电压范围。查看我们的工业电压驱动器参考设计 (TIPD125)，了解更多详情。


图 2

上世纪 80 年代，德州仪器 (TI) 推出了一系列带“XTR”前缀的器件。这些器件不仅高度集成实现电压至电流转换器所需的大部分组件，而且还可充分利用传统低电压 DAC 输出生成各种电流输出，因而简化了高侧电流输出的设计。图 2 是一个使用 XTR111 高精度电压至电流转换器／发送器的实例。

此外，我们的最新 DAC8760 系列也可简化这些系统的设计。该系列高度集成电压与电流输出级以及 DAC 及参考，所有这些可实现极高的精确度与可靠性。

请务必查看我同事 Ian Williams 撰写的关于工业领域瞬态与瞬态抗扰度标准的系列文章。在本系列的下篇文章中，我将介绍如何设计相应的保护电路，防止 3 线模拟输出免受 Ian 所介绍的瞬态干扰。