為何要使用電流輸出DAC以及怎樣有效使用它？

電流輸出DAC對比電壓輸出DAC

某些傳感器和控制回路需要接入DAC來精確控制電流。這些應(yīng)用包括揚(yáng)聲器線圈、螺線管和電機(jī)；開環(huán)和閉環(huán)工業(yè)系統(tǒng)、科學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)中與控制相關(guān)的設(shè)置；基本電阻加熱器或精密可調(diào)諧激光器；自動(dòng)測試設(shè)備 (ATE) 探針刺激；用于電池充電的精密電流輸出；以及可調(diào)光 LED（圖1）。

圖1：電流輸出DAC適合于光放大器節(jié)點(diǎn)等應(yīng)用，可控制光放大器、可調(diào)諧激光器和溫度恒定的激光加熱器，本圖以LT2662多通道 DAC 為例。（圖片來源：Analog Devices）

設(shè)計(jì)人員往往不太熟悉如何使用電流輸出DAC產(chǎn)生精密電流輸出。一種將傳統(tǒng)的電壓輸出DAC轉(zhuǎn)換為電流輸出器件的方法是，添加配置為電壓-電流 (V/I) 轉(zhuǎn)換器的輸出運(yùn)算放大器（圖2）。

圖2：使用運(yùn)算放大器（左）或帶MOSFET升壓輸出的運(yùn)算放大器（右），可將電壓源轉(zhuǎn)換為電流源，但是相較于實(shí)際采用電流輸出DAC的設(shè)計(jì)，可能相對難以實(shí)現(xiàn)，或在技術(shù)上差強(qiáng)人意。（圖片來源：Analog Devices）

然而，采用這種方法需要在材料清單 (BOM) 和印刷電路板上添加更多有源和無源元器件，并且運(yùn)算放大器必須具有良好的拉/灌電流能力，否則就必須使用MOSFET升壓。此外，由于添加了更多具有獨(dú)立規(guī)格的有源元器件以及無源元器件，因此整個(gè)輸出范圍和溫度范圍內(nèi)的數(shù)字輸入/電流輸出傳遞函數(shù)的誤差預(yù)算就變得愈加困難。

解決問題

無論是電流輸出還是電壓輸出器件，最初DAC大多都是由分辨率和更新速度來定義。電流輸出DAC通常不用于信號處理/分析或波形生成。此外，由于其機(jī)電特性或熱特性，電流輸出DAC的典型負(fù)載變化通常相對較慢。因此，這類DAC的分辨率范圍為12位至16位，更新速率為每秒數(shù)十或數(shù)百千次采樣。

不過，選擇或使用電流輸出DAC時(shí)，用戶必須注意并解決使用電壓輸出DAC時(shí)可能不存在的一些關(guān)鍵問題：

1. 順從電壓和壓差

2. 電流驅(qū)動(dòng)范圍和分辨率（增強(qiáng)這兩種特性）

3. 上電復(fù)位 (POR) 和輸出毛刺等瞬態(tài)條件

4. DAC數(shù)據(jù)和輸出完整性；精度

5. 散熱

下面將以AD5770R和LTC2662為例，詳細(xì)探討這些設(shè)計(jì)問題。

1.順從電壓和壓差

除了DAC常規(guī)線性度和精度規(guī)格外，電流輸出DAC還有兩個(gè)參數(shù)是電壓輸出DAC所不具備的：順從電壓和壓差。

順從電壓是電流源輸出所需電流時(shí)所能達(dá)到的最大電壓——一種基本卻十分關(guān)鍵的情形。只要負(fù)載兩端的電壓在設(shè)計(jì)限制范圍內(nèi)，電流源就可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載；要想使用電流源輸出的電流驅(qū)動(dòng)負(fù)載，就必然會在負(fù)載兩端施加所需電壓。電流源可調(diào)節(jié)輸出電壓，為負(fù)載提供所需的電流。

例如，以10mA電流驅(qū)動(dòng)1kΩ負(fù)載需要至少10V的順從電壓。如果該電壓降超過順從電壓，則DAC將無法輸出該電流。與之相對，如果負(fù)載電流超過電壓源的額定電流，則電壓源也無法提供標(biāo)稱電源電壓。

假設(shè)用DAC（或任何電流源）驅(qū)動(dòng)串聯(lián)的10個(gè)LED，每個(gè)LED上的電壓降為1.5V，電流為20mA。如果電流源不能在15V直流電壓（加上部分裕量）下輸出20mA電流，就無法輸出該電流，即使在較低電壓下可以輕松實(shí)現(xiàn)也無濟(jì)于事。對于電流輸出DAC而言，順從電壓越接近DAC輸出級電源軌，DAC輸出范圍越大。

為什么要討論順從電壓？盡管這是電流源的基本特性（根據(jù)V=IR），但是某些資歷尚淺的工程師只處理過電壓源，因而經(jīng)常忽略這一問題。畢竟，若工程師聽說需要12V電源，第一個(gè)問題往往都是“電流是多少”。然而，對于電流源而言，相應(yīng)問題應(yīng)該是“順從電壓是多少”，卻常常受到忽略。

電流輸出DAC的順從電壓并不受DAC自身電源軌的限制。例如，多通道LTC2662的每個(gè)通道都有獨(dú)立的電源引腳，使各通道的順從電壓都能與負(fù)載需求相匹配，同時(shí)又能最大限度地降低總耗散功率。

此外，電流輸出DAC也具有壓差限制，即DAC所需的最小壓降以維持輸出調(diào)節(jié)。壓差是負(fù)載電流的函數(shù)；壓差越小，DAC的工作范圍越寬。5通道LTC2662的電流輸出具有高順從電壓，輸出200mA電流時(shí)可保證1V壓差（圖3）。

圖3：在整個(gè)電流輸出范圍內(nèi)，LTC2662的壓差都低于1V，確保所有輸出電流值時(shí)都有足夠的工作裕量。（圖片來源：Analog Devices）

圖4：Analog Devices的AD5770R是一款6通道14位電流輸出DAC，具有片上基準(zhǔn)電壓源和串行外設(shè)接口 (SPI)，以及許多其他特性和功能。（圖片來源：Analog Devices）

通道 0：0 mA 至 300 mA，-60 mA 至 +300 mA，-60mA 至 0 mA

通道 1：0 mA 至 140 mA，0 mA 至 250 mA

通道 2：0 mA 至 55 mA，0 mA 至 150 mA

通道 3、通道 4、通道 5：0 mA 至 45 mA，0 mA 至 100 mA

• 為增加最大驅(qū)動(dòng)電流提供便捷的解決方案

• 最大輸出范圍較小但分辨率相同，因而步長雖較小，但輸出的電流更精確

• 允許組合輸出以獲得低/高分辨率

就第一點(diǎn)而言，這些電流源可以簡單地并聯(lián)。例如，AD5770R的通道1 (250mA) 和通道 2 (150mA) 疊加，可以提供400mA的總驅(qū)動(dòng)（圖5）。當(dāng)然，設(shè)計(jì)人員不能忽視以下警告：順從電壓必須在規(guī)格書規(guī)定的范圍內(nèi)；輸出電壓必須保持在規(guī)格書規(guī)定的最大絕對額定值范圍內(nèi)。 

圖5：這些DAC的輸出可以并聯(lián)組合，因此可輕易提供大電流；本圖中，250mA電流源和 150mA電流源可提供400mA可完全輕松控制的電流。（圖片來源：Analog Devices）

同樣，5通道LTC2662具有八個(gè)電流范圍，各通道均可編程，滿量程輸出達(dá)300mA、20 mA、100mA、50mA、25mA、12.5mA、6.25mA和3.125mA；這些電流均可組合，最大輸出電流可達(dá)1.5A。

借助低分辨率和高分辨率設(shè)置（上述第三點(diǎn)，即最后一點(diǎn)），并行輸出還能提供一種簡便方法來提高所需標(biāo)稱輸出值的整體分辨率。將一路寬范圍輸出與另一路小范圍輸出并聯(lián)，前者可設(shè)為低分辨率，而后者設(shè)為高分辨率，以此提供的分辨率即可超出各通道的12/16位額定值（但必須占用5通道中的2個(gè)）。

3.上電復(fù)位 (POR) 和輸出毛刺等瞬態(tài)條件

許多應(yīng)用中，上電時(shí)的DAC輸出（稱為上電復(fù)位，POR）是個(gè)難題，因?yàn)樘幚砥鳎捌滠浖o法立即初始化DAC。雖然在處理器代碼中DAC初始化具有最高優(yōu)先級，但是具有多個(gè)直流電源軌的處理器啟動(dòng)時(shí)間可能比簡單的DAC更長。

處理器與DAC的啟動(dòng)時(shí)間差可能導(dǎo)致不可接受的DAC輸出——例如，使用DAC控制活動(dòng)元件的情況。因此，了解POR時(shí)DAC通道的狀態(tài)就顯得尤為重要。基于上述原因，LTC2662的輸出在上電時(shí)復(fù)位為高阻態(tài)，使系統(tǒng)初始化保持一致且可重復(fù)。AD5770R具有異步復(fù)位引腳，可由硬件定時(shí)器或復(fù)位鎖定驅(qū)動(dòng)；將引腳置為邏輯低電平10ns以上，即可將所有寄存器復(fù)位為默認(rèn)值。

此外，輸出轉(zhuǎn)換時(shí)的毛刺可能也是個(gè)難題。每當(dāng)DAC加載新代碼模式的數(shù)據(jù)位時(shí)，由于兩種代碼間存在時(shí)鐘偏移，因而在新舊代碼轉(zhuǎn)換過程中，DAC會產(chǎn)生錯(cuò)誤輸出；與POR一樣，這可能也不可接受。為避免這種情況，LT2662和AD5770將DAC加載的緩沖數(shù)據(jù)增加一倍。單個(gè)或多個(gè)通道的所有數(shù)據(jù)位均可寫入相應(yīng)的輸入寄存器，而不會影響DAC輸出。向器件發(fā)出“加載DAC”的單一命令，即可將輸入寄存器內(nèi)容發(fā)送到DAC寄存器，更新DAC輸出而不會出現(xiàn)毛刺。

4.DAC數(shù)據(jù)和輸出完整性；精度

這類DAC所適用的應(yīng)用大多具有活動(dòng)元件和機(jī)械元件，因此或許有必要驗(yàn)證DAC的性能。這就需要注意 DAC 的數(shù)字輸入及實(shí)際電流輸出值。

針對完整性問題，AD5770R和LTC2662等高級DAC可提供多種解決方案：數(shù)據(jù)回讀、基于內(nèi)部循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) 的數(shù)據(jù)完整性確認(rèn)以及間接輸出電流測量。前兩種用于發(fā)送到并存儲于DAC的數(shù)據(jù)確認(rèn)；第三種用于監(jiān)視DAC產(chǎn)生的電流。

由于軟件必須啟動(dòng)回讀并將其值與原始發(fā)送值進(jìn)行比較，因此基本數(shù)據(jù)回讀需要處理器操作，并會產(chǎn)生CPU負(fù)載。但是，AD5770R的內(nèi)置CRC功能并不會造成負(fù)擔(dān)。AD5770R對片上數(shù)據(jù)寄存器定期執(zhí)行后臺CRC操作，確保存儲器位不會損壞。如果確定存在數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，就會在狀態(tài)寄存器中設(shè)置報(bào)警標(biāo)志位。

確保DAC性能可靠性的最終測試是測量輸出電流和順從電壓值。AD5770R和LTC2662均具有診斷功能，允許用戶通過多路電壓來監(jiān)控所對應(yīng)的這些參數(shù)。用戶可以選擇多路復(fù)用器輸出對應(yīng)的電壓，從而使用外部ADC進(jìn)行測量。對于AD5770R而言，電流監(jiān)控可精確到滿量程輸出范圍10%以內(nèi)，足以確定過失誤差和故障。如果設(shè)計(jì)人員需要輸出監(jiān)控精度更高，則可以校準(zhǔn)讀數(shù)。

DAC 輸出的絕對精度很大程度上取決于基準(zhǔn)電壓源和一些內(nèi)部精密電阻的性能。AD5770R包括1.25V基準(zhǔn)電壓源，最大溫度系數(shù)為15 ppm/℃；LTC2662的1.25V基準(zhǔn)電壓源則為10ppm/℃。借助這些DAC中精密基準(zhǔn)電壓源的性能，設(shè)計(jì)人員可以更輕松地實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的精度目標(biāo)，因?yàn)檫@些基準(zhǔn)電壓源也可供外部使用（增加外部緩沖即可）。

規(guī)格值分別為10ppm/℃和15ppm/℃的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源可能完全足以應(yīng)付多數(shù)情況。但是，考慮到這些DAC寬泛的工作溫度范圍（AD5770R：-40℃至+105℃，LTC2662：-40℃至125℃），基準(zhǔn)電壓源在某些情況下可能會因溫度導(dǎo)致偏移過大。

這兩款DAC均提供了解決方案：可使用外部基準(zhǔn)電壓源，并為該基準(zhǔn)源提供內(nèi)部緩沖器。如果需要的溫度系數(shù)較小，也可以選擇低漂移基準(zhǔn)電壓源，如LTC6655（溫度系數(shù)為2ppm/℃）。使用這種高性能外部基準(zhǔn)電壓源并非易事：需要格外注意電路板布局、機(jī)械應(yīng)力、生產(chǎn)焊接溫度曲線及其他易于損害特定性能的細(xì)節(jié)。

5.散熱

務(wù)必謹(jǐn)記這些DAC均以受控電流的形式為負(fù)載供電。因此，IC耗散和自熱都是必須分析的問題，確保不會超過內(nèi)部芯片的最大允許溫度。在多數(shù)情況下，需要通過印刷電路板來散熱，其中使用IC焊球作為熱導(dǎo)管。

熱分析時(shí)，首先分析各通道的峰值電流、平均電流及其相關(guān)耗散。然后對IC到電路板的路徑和電路板的散熱能力進(jìn)行熱建模（例如層數(shù)、可用銅面積以及使用相同散熱區(qū)域的其他元件）。AD5770R（使用2.9V至5.5V單電源供電）規(guī)格書上提供的計(jì)算示例顯示，多路輸出均提供指定電流時(shí)某環(huán)境溫度下的功耗。設(shè)計(jì)人員可以此為指南并針對具體情況進(jìn)行初步分析。

為了避免不必要的耗散，LTC2662的各輸出通道均具有獨(dú)立電源引腳。各通道均可由2.85V至33V的獨(dú)立電源供電，從而針對各種負(fù)載調(diào)節(jié)各通道的耗散功率和順從電流裕量。

盡管概念很簡單，但是AD5770R和LTC2662等多通道電流輸出DAC具有大量的寄存器，可用于控制范圍設(shè)置、數(shù)據(jù)加載、回讀和標(biāo)志位等基本功能。除了SPI總線和DAC輸出所需的物理連接外，還具有許多其他選項(xiàng)。

基于上述原因，使用評估板（例如適用于LTC2662及相關(guān)軟件的DC2629A-A）可以節(jié)省時(shí)間并最大限度地減少煩惱，同時(shí)還可以在實(shí)際應(yīng)用場景中簡化DAC的性能評估（圖6）。

圖6：演示電路和評估板（例如適用于LTC2662電流源DAC的DC2629A-A）簡化了連接，允許隨時(shí)使用多通道電流輸出DAC的眾多功能和特性。（圖片來源：Analog Devices）

該評估板專為16位LTC2662設(shè)計(jì)，簡化了與DAC的連接，并且可以評估外部基準(zhǔn)電壓源的使用等可選特性。該演示電路通過USB電纜連接用戶的計(jì)算機(jī)。

隨附軟件的GUI控制面板可用于執(zhí)行DAC，輕松使用所有特性和功能（圖7）。

電流輸出DAC雖不如電壓輸出DAC廣為人知，但是對于許多實(shí)際應(yīng)用和負(fù)載而言都是不可或缺的器件。這類DAC，尤其是Analog Devices的AD5770R和LTC2662等輸出電流較大的多通道器件，可提供眾多功能和用戶設(shè)置，使設(shè)計(jì)人員能夠在目標(biāo)應(yīng)用中優(yōu)化其適配性和性能。用戶若能了解這類DAC 及其特性，必能受益于其功能和特性。

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號“得捷電子DigiKey”

責(zé)編：Amy Guan