16 位 AFE88101 和 14 位 AFE78101 （AFEx8101） 是高度集成、高精度、極低功耗的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC），具有專為傳感器-發(fā)射器應(yīng)用設(shè)計的電壓輸出。

AFEx8101 器件包括設(shè)計 4 mA 至 20 mA、2 線（環(huán)路供電）傳感器發(fā)射器所需的大部分組件。除了高精度DAC外，這些器件還包括一個10 ppm/°C基準電壓源和一個診斷模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。為了滿足本質(zhì)和功能安全問題，需要外部電壓到電流轉(zhuǎn)換和功率調(diào)節(jié)。
*附件：afe88101.pdf

內(nèi)部診斷ADC復(fù)用到多個內(nèi)部節(jié)點，從而實現(xiàn)自動自我健康檢查。該檢查能夠檢測內(nèi)部偏置源、電源穩(wěn)壓器、基準電壓源、DAC輸出、芯片溫度和可選外部電壓源的錯誤或故障。如果從診斷ADC、CRC幀錯誤檢查或窗口看門狗定時器檢測到任何故障，器件可以選擇發(fā)出中斷，進入與標(biāo)準NAMUR輸出值或用戶指定的自定義值相對應(yīng)的故障安全狀態(tài)，或兩者兼而有之。

這些器件采用低至 1.71 V 的電源供電，最大靜態(tài)電流為 210 μA。這些器件的額定溫度范圍為–40°C至+125°C，但工作溫度范圍為–55°C至+125°C。

特性

• • 可用于幫助功能安全系統(tǒng)設(shè)計的文檔：AFE88101、AFE78101
• 低靜態(tài)電流：170 μA （典型值）
• 16位或14位單調(diào)高性能DAC
  • 1.8V 電源：0.15 V 至 1.25 V、0.2 V 至 1.0 V
  • 5V 電源：0.3 V 至 2.5 V、0.4 V 至 2.0 V
  • 16 位時的 4-LSB INL
  • 0.07% FSR（最大）TUE，–40°C 至 +125°C
• 用于高級診斷的 12 位 3.84kSPS ADC
• 集成 1.25V 基準電壓源，頻率為 10 ppm/°C
• 內(nèi)部1.2288MHz振蕩器，帶時鐘輸出
• 數(shù)字接口：
  • 串行外設(shè)接口 （SPI）
  • 通用異步接收-發(fā)射器 （UART）
• 故障檢測：CRC位錯誤檢查、窗口看門狗定時器、診斷ADC
• 寬工作溫度：–55°C 至 +125°C

參數(shù)

方框圖

一、產(chǎn)品概述與型號差異

AFEx8101 系列是高度集成的低功耗數(shù)模轉(zhuǎn)換器件，核心定位是在環(huán)路供電系統(tǒng)中實現(xiàn)精準電壓輸出，配合外圍電路可轉(zhuǎn)換為 4mA~20mA 電流信號，兩款型號僅分辨率不同，其他功能與封裝完全兼容，便于系統(tǒng)靈活選型。

1. 型號核心差異

2. 基礎(chǔ)參數(shù)總覽

二、核心功能與性能參數(shù)

1. 高精度 DAC 模塊

作為核心功能，DAC 模塊支持多范圍電壓輸出，配合校準功能可實現(xiàn)高線性度與低誤差，適配不同環(huán)路電流需求：

（1）性能參數(shù)

• 分辨率與精度 ：
  • AFE78101（14 位）：微分非線性（DNL）±1 LSB，積分非線性（INL）±4 LSB；
  • AFE88101（16 位）：總未調(diào)整誤差（TUE）最大 0.07% FSR（-40℃~+125℃），零碼誤差 0.04% FSR（25℃），增益誤差溫度漂移 ±3ppm/℃；
• 輸出范圍 ：
  • 低壓供電（PVDD=1.71V1.89V）：0.15V1.25V（全范圍）、0.2V1V（窄范圍，對應(yīng) 4mA20mA）；
  • 高壓供電（PVDD=2.7V5.5V）：0.3V2.5V（全范圍）、0.4V~2V（窄范圍）；
• 動態(tài)性能 ：
  • 輸出噪聲（0.1Hz~10Hz）：典型 0.25LSB（PVDD=1.8V）；
  • 建立時間：65μs（1/4~3/4 量程，±2LSB）；
  • 壓擺率：2V/μs，支持線性 / 正弦波斜率控制，避免輸出信號突變。

（2）關(guān)鍵功能

• 增益與偏移校準 ：通過 DAC_GAIN（0.5~1.499985 可調(diào)）與 DAC_OFFSET（2's 補碼）寄存器，補償系統(tǒng)誤差，提升輸出精度；
• 清零功能 ：支持硬件（SCLR 引腳）、軟件（DAC_CFG.CLR 位）、報警觸發(fā)三種清零方式，清零后輸出預(yù)設(shè)電壓（可配置），保障故障安全；
• 掉電模式 ：DAC 輸出緩沖可關(guān)斷，進入高阻態(tài)，降低待機功耗。

2. 診斷 ADC 與監(jiān)控功能

集成 12 位 SAR ADC，專為器件自診斷與外部信號監(jiān)測設(shè)計，可實時檢測系統(tǒng)異常，提升可靠性：

（1）ADC 性能參數(shù)

• 分辨率與速率 ：12 位，轉(zhuǎn)換速率 3.84kSPS，差分非線性（DNL）±1 LSB，積分非線性（INL）±4 LSB；
• 輸入范圍 ：01.25V（PVDD≤2.7V）或 02.5V（PVDD>2.7V），支持 2 路外部模擬輸入（AIN0/AIN1）與 8 路內(nèi)部節(jié)點監(jiān)測；
• 監(jiān)測對象 ：
  • 外部：AIN0/AIN1 可監(jiān)測外部傳感器信號、供電電壓；
  • 內(nèi)部：DAC 輸出（VOUT）、電源（PVDD/VDD）、基準電壓（VREF）、芯片溫度、零溫度系數(shù)電壓（ZTAT）。

（2）診斷與報警機制

• 故障檢測 ：支持 ADC 超限、CRC 幀錯誤、看門狗超時、基準異常、芯片過溫（>130℃）/ 高溫警告（>85℃）等故障檢測；
• 報警響應(yīng) ：故障時可觸發(fā)三種動作 ——DAC 進入清零狀態(tài)、輸出報警電壓（高 / 低可配置）、DAC 輸出高阻，ALARM 引腳（漏極開路）同步拉低提示；
• 防誤報設(shè)計 ：ADC 支持 1~8 次連續(xù)故障計數(shù)（FLT_CNT 配置），僅連續(xù)超限才觸發(fā)報警，避免單次干擾導(dǎo)致誤判。

3. 其他核心模塊

（1）高精度電壓基準

內(nèi)置 1.25V 帶隙基準，支持外部基準輸入，保障 DAC/ADC 精度穩(wěn)定性：

• 性能 ：初始精度 ±0.16%（25℃），溫度漂移 10ppm/℃，0.1Hz~10Hz 噪聲 7.5μVpp；
• 靈活性 ：通過 REF_EN 引腳控制基準使能，VREFIO 引腳可輸出基準（最大 sourcing 電流 2.5mA）或接入外部 1.25V 基準。

（2）低功耗與時鐘管理

• 功耗優(yōu)化 ：1.8V 供電時靜態(tài)電流僅 170μA，高壓供電時可通過內(nèi)部 LDO 穩(wěn)定 VDD，兼顧精度與功耗；
• 時鐘模塊 ：內(nèi)置 1.2288MHz 振蕩器，CLK_OUT 引腳可輸出時鐘（支持 1.2288MHz 或 9600Hz 分頻），無需外部時鐘源。

（3）數(shù)字接口

支持 SPI 與 UART 兩種通信方式，適配不同主控芯片：

• SPI ：最高 12.5MHz 時鐘，支持 32 位幀（含 8 位 CRC）或 24 位幀（無 CRC），默認啟用 CRC 校驗，提升抗干擾能力；
• UART（UBM 模式） ：9600 波特率，8 位數(shù)據(jù) + 1 位奇校驗 + 1 位停止位，支持中斷請求（IRQ）輸出，適配低速遠距離通信。

三、功能架構(gòu)與典型應(yīng)用

1. 核心架構(gòu)

采用 “數(shù)字控制 - 模擬輸出 - 診斷監(jiān)控” 三層架構(gòu)，模塊協(xié)同實現(xiàn)高可靠性：

• 數(shù)字控制層 ：含 SPI/UART 接口、寄存器配置、看門狗定時器，負責(zé)指令解析與狀態(tài)管理；
• 模擬輸出層 ：DAC 核心（電阻串架構(gòu)）+ 輸出緩沖，實現(xiàn)精準電壓輸出，支持斜率控制與清零；
• 診斷監(jiān)控層 ：12 位 ADC + 多路選擇器，監(jiān)測內(nèi)部電源、基準、溫度與外部信號，配合報警邏輯觸發(fā)故障響應(yīng)。

2. 典型應(yīng)用場景：4mA~20mA 環(huán)路供電變送器

（1）應(yīng)用原理

AFEx8101 輸出 0.4V2V 電壓（窄范圍），通過運放與晶體管組成的電壓 - 電流（V-I）轉(zhuǎn)換電路，將電壓信號轉(zhuǎn)換為 4mA20mA 電流，適配環(huán)路供電系統(tǒng)：

• 核心電路 ：OPA333 運放作為反饋放大器，NPN 晶體管（如 PZT2907A）作為電流驅(qū)動，40.2Ω 采樣電阻實現(xiàn)電流反饋；
• 電流計算 ：當(dāng) DAC 輸出 0.4V 時，對應(yīng) 4mA 電流；輸出 2V 時，對應(yīng) 20mA 電流，全范圍（0.3V2.5V）可覆蓋 3mA25mA，支持故障狀態(tài)指示。

（2）關(guān)鍵設(shè)計要點

• 供電設(shè)計 ：環(huán)路電壓 12V~36V，通過 TLVH431B 分流穩(wěn)壓器與 TPS60402 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，為器件提供 3.3V 供電，同時滿足低功耗要求（總電流≤3mA）；
• 隔離設(shè)計 ：采用 ISO7021/ISO7041 數(shù)字隔離器，實現(xiàn)信號與電源隔離，避免工業(yè)環(huán)境干擾；
• 保護設(shè)計 ：輸入側(cè)加入 36V 雙向 TVS 二極管與整流橋，防止反向接線與電壓瞬態(tài)沖擊。

四、電氣特性與設(shè)計建議

1. 關(guān)鍵電氣特性（典型值，TA=25℃，PVDD=1.8V，VREF=1.25V）

2. 設(shè)計建議

（1）電源與基準設(shè)計

• 去耦電容 ：PVDD、VDD、IOVDD 引腳就近并 100nF 陶瓷電容（X7R 材質(zhì)），VDD 額外并 1μF~10μF 鉭電容，抑制電源噪聲；
• 基準穩(wěn)定 ：VREFIO 引腳需并 70nF130nF 電容（ESR 10mΩ400mΩ），確保基準輸出穩(wěn)定，若使用外部基準，需保證輸入電壓 1.2V~1.3V。

（2）PCB 布局

• 隔離分區(qū) ：模擬部分（DAC 輸出、基準、ADC 輸入）與數(shù)字部分（SPI/UART、GPIO）嚴格分區(qū)，模擬地與數(shù)字地單點連接，避免串?dāng)_；
• 熱設(shè)計 ：UQFN 封裝底部熱焊盤需連接至大面積接地銅皮，配合散熱過孔，降低結(jié)溫（結(jié)到環(huán)境熱阻 RθJA=103.1℃/W）；
• 敏感信號保護 ：DAC 輸出（VOUT）、基準（VREFIO）布線遠離數(shù)字時鐘線（SCLK），減少高頻干擾。

（3）通信與校準

• SPI 配置 ：默認啟用 CRC 校驗（32 位幀），若禁用 CRC 需發(fā)送 24 位幀，且 CS 引腳高低電平時間需滿足≥80ns（CSHIGH）、≥30ns（CSS/C SH）；
• DAC 校準 ：上電后建議先校準增益與偏移 ——AFE88101 通過 DAC_GAIN（0x8000 對應(yīng)增益 1.0）與 DAC_OFFSET（0x0000 對應(yīng)無偏移）寄存器，補償系統(tǒng)誤差；
• 看門狗配置 ：使能 WDT（WDT_EN=1），設(shè)置超時上限（WDT_UP，默認 853ms），避免通信中斷導(dǎo)致系統(tǒng)失控。