引言
在设计复杂电子系统时，预测设计性能并进行验证是每个工程师面临的挑战。虽然集成电路(IC)设计人员拥有丰富的工具和模型来进行设计模拟，但对于完整系统的验证，很多组件的准确模型并不完全存在。这意味着设计验证往往依赖手工检查、预算、模型测试以及基于经验的修改，可能导致设计错误。因此，精确的系统级验证显得尤为重要，尤其是在使用高精度数字到模拟转换器（DAC）时。
精密DAC的SPICE模型
为了解决完整系统验证的问题，Texas Instruments（TI）提供了TINA-TI™软件中的精密DAC模型。例如，DAC8411系列是TI推出的8到16位单通道电压输出型数字到模拟转换器（DAC）。这些DAC模型提供了两种主要接口类型的模拟模型：并行n位宽接口和串行外设接口（SPI）。这两种模型均包含DAC输出缓冲区的功能，可以模拟从DAC到模拟信号链的输出。
模型特点
- 并行接口模型：该模型适用于所有TINA版本，支持并行n位宽接口。
- 串行接口模型（SPI）：该模型与专业版TINA-TI软件兼容，可以模拟包括数字信号链在内的整个DAC功能。
这些SPICE模型可用于模拟DAC的DC参数（如增益误差和偏移误差）以及AC参数（如电容负载稳定性、转换速率、建立时间等）。例如，DAC8411的增益误差（百分比表示）和偏移误差（微伏级别）在模拟中得到体现。
模型应用
通过这些SPICE模型，设计师可以在设计前进行性能预测。例如，可以进行增益和偏移误差的DC模拟，也可以执行瞬态分析，模拟从DAC输入到输出的信号变化，确保设计符合预期。图4展示了通过模拟结果与数据手册中的图表进行对比，验证模拟精度。
完整系统模型的集成
案例研究：0到20毫安DAC系统
在工业自动化系统中，常常需要生成0到20毫安的电流信号，通常采用三线制系统。此类系统的实现方式有多种，从完全离散的DAC、运算放大器和被动元件实现，到使用集成化设备如DAC8760的解决方案。
设计思路
在本案例中，我们采用DAC8411和OPA192运算放大器来设计一个基本的0到20毫安DAC系统。该系统由DAC8411、两个OPA192运算放大器（OP1和OP2）、两个MOSFET（T1和T2）和四个电阻（R1、R2、R4、RLOAD）组成，工作原理如下：
- DAC转换：DAC8411将16位的输入数字代码转换为相应的模拟输出电压（0至5伏特）。
- 运算放大器控制：OP2将DAC输出电压反馈到其负输入端，确保电流通过电阻R4流动。OP1维持电阻R1和R2之间的电压平衡，并通过控制MOSFET T1的栅电压，确保电流流经负载电阻RLOAD。
该系统生成的输出电流与输入的数字代码成比例。
仿真与结果
在仿真过程中，测试平台模拟了一个理想的16位ADC，将0至1伏的模拟信号转换为16位数字代码，并通过DC扫描测试了系统的输出电流（图6和图7）。此外，瞬态分析也进行了，模拟了DAC代码从零到满量程的变化（图8）。
实际系统的非理想因素
虽然上述仿真模型使用了DAC8411和OPA192的典型参数，但在实际应用中，DAC的偏移电压、增益误差等参数会有所不同。因此，通过对DAC偏移电压的不同取值进行仿真，可以更好地预测系统在最坏情况下的表现。例如，改变DAC的偏移电压从典型值（0.05毫伏）到最大值（3毫伏），可以模拟系统的响应变化（图10）。
结论
通过使用TI提供的SPICE模型和TINA-TI仿真软件，设计师可以进行完整的系统级验证。这些模型不仅可以验证DAC的性能，还可以验证其他组件（如运算放大器、MOSFET等）的表现。仿真软件的能力（如TINA-TI的专业版）提高了验证的精确度，而组件模型的准确性则决定了系统验证的全面性。