有些“冷门”，但不可或缺！浅析电流输出DAC的特性和应用

作者：Bill Schweber

关键词：电源管理，工作原理，电路设计

随着电子产品的普及，人们希望将数字系统与模拟世界连接起来以实现变化，因而对数模转换器 (DAC) 的需求也日益增长。虽然设计人员很熟悉传统的电压输出DAC，但是许多应用却需要使用电流输出DAC，以提供精确、稳定的高分辨率电流（数十或数百毫安）来控制低阻抗电阻、电感和电抗性负载。

尽管这些负载可以由电压驱动，但是对于这些传感器而言，使用电流源或驱动器却更有效、更精确。不过，电流输出DAC并非电压输出DAC的简单“直接”替代品。

本文简要说明为什么电流输出DAC是行之有效且往往必不可少的解决方案。此外，本文还以Analog Devices推出的两款IC：6通道14位的AD5770R和5通道16/12位的LTC2662为例，着重介绍了电流输出DAC的有效使用方法。

DAC对比ADC

DAC是模数转换器 (ADC) 的功能补充，但两者面临的挑战却截然不同。ADC的主要作用是在存在外部和内部噪声的情况下，将未知的随机输入信号连续数字化，并将结果传输到兼容的处理器。不同于ADC，DAC的输入是来自处理器的稳定且有界的数字信号，不存在信噪比 (SNR) 问题。然而，DAC输出却面临驱动外部负载的挑战，就电气上而言，这或许更为困难。

电流输出DAC对比电压输出DAC

某些传感器和控制回路需要接入DAC来精确控制电流。这些应用包括扬声器线圈、螺线管和电机；开环和闭环工业系统、科学系统和光学系统中与控制相关的设置；基本电阻加热器或精密可调谐激光器；自动测试设备 (ATE) 探针刺激；用于电池充电的精密电流输出；以及可调光 LED（图1）。

这些往往都是低阻抗电阻、电感和磁性负载。虽然这些负载也可以由电压驱动，但是电压与端部效应的关系较为复杂，并且通常呈非线性。因此，对于这类传感器而言，使用电流源更有效、更精确。

设计人员往往不太熟悉如何使用电流输出DAC产生精密电流输出。一种将传统的电压输出DAC转换为电流输出器件的方法是，添加配置为电压-电流 (V/I) 转换器的输出运算放大器（图2）。

然而，采用这种方法需要在材料清单 (BOM) 和印刷电路板上添加更多有源和无源元器件，并且运算放大器必须具有良好的拉/灌电流能力，否则就必须使用MOSFET升压。此外，由于添加了更多具有独立规格的有源元器件以及无源元器件，因此整个输出范围和温度范围内的数字输入/电流输出传递函数的误差预算就变得愈加困难。

解决问题

无论是电流输出还是电压输出器件，最初DAC大多都是由分辨率和更新速度来定义。电流输出DAC通常不用于信号处理/分析或波形生成。此外，由于其机电特性或热特性，电流输出DAC的典型负载变化通常相对较慢。因此，这类DAC的分辨率范围为12位至16位，更新速率为每秒数十或数百千次采样。

不过，选择或使用电流输出DAC时，用户必须注意并解决使用电压输出DAC时可能不存在的一些关键问题：

1. 顺从电压和压差
2. 电流驱动范围和分辨率（增强这两种特性）
3. 上电复位 (POR) 和输出毛刺等瞬态条件
4. DAC数据和输出完整性；精度
5. 散热

下面将以AD5770R和LTC2662为例，详细探讨这些设计问题。

1. 顺从电压和压差

除了DAC常规线性度和精度规格外，电流输出DAC还有两个参数是电压输出DAC所不具备的：顺从电压和压差。

顺从电压是电流源输出所需电流时所能达到的最大电压——一种基本却十分关键的情形。只要负载两端的电压在设计限制范围内，电流源就可以驱动负载；要想使用电流源输出的电流驱动负载，就必然会在负载两端施加所需电压。电流源可调节输出电压，为负载提供所需的电流。

例如，以10mA电流驱动1kΩ负载需要至少10V的顺从电压。如果该电压降超过顺从电压，则DAC将无法输出该电流。与之相对，如果负载电流超过电压源的额定电流，则电压源也无法提供标称电源电压。

假设用DAC（或任何电流源）驱动串联的10个LED，每个LED上的电压降为1.5V，电流为20mA。如果电流源不能在15V直流电压（加上部分裕量）下输出20mA电流，就无法输出该电流，即使在较低电压下可以轻松实现也无济于事。对于电流输出DAC而言，顺从电压越接近DAC输出级电源轨，DAC输出范围越大。

为什么要讨论顺从电压？尽管这是电流源的基本特性（根据V=IR），但是某些资历尚浅的工程师只处理过电压源，因而经常忽略这一问题。毕竟，若工程师听说需要12V电源，第一个问题往往都是“电流是多少”。然而，对于电流源而言，相应问题应该是“顺从电压是多少”，却常常受到忽略。

电流输出DAC的顺从电压并不受DAC自身电源轨的限制。例如，多通道LTC2662的每个通道都有独立的电源引脚，使各通道的顺从电压都能与负载需求相匹配，同时又能最大限度地降低总耗散功率。

此外，电流输出DAC也具有压差限制，即DAC所需的最小压降以维持输出调节。压差是负载电流的函数；压差越小，DAC的工作范围越宽。5通道LTC2662的电流输出具有高顺从电压，输出200mA电流时可保证1V压差（图3）。

2. 电流驱动范围和分辨率（增强这两种特性）

电流输出DAC的输出驱动能力可达数百毫安。请注意，电流输出DAC通常设计为拉出电流，而非灌入电流；但是如果需要灌入电流，也有相应的通道可供使用（只是必须遵守附加限制）。

多通道多输出范围DAC具有两个属性：为了输出更高的总电流，允许将输出叠加；可实现各通道分辨率与应用的最佳匹配。通过这种方式，就能最大限度地有效利用分辨率，而非局限于DAC的部分动态范围而造成浪费。这相当于在ADC输入端使用可编程增益放大器 (PGA)，调节输入信号以适应ADC的输入范围。若使用输出范围为100mA的14位电流输出DAC用于0至25mA的驱动范围，只能提供12位有效分辨率，浪费了2位。

因此，AD5770R和LTC2662的多路输出提供了不同的输出范围。例如，AD5770R包含5个14位电流源通道和1个14位拉/灌通道（图4）。

通道配置如下：

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

这种配置具有多种驱动优势，可用于多种用途：

• 为增加最大驱动电流提供便捷的解决方案
• 最大输出范围较小但分辨率相同，因而步长虽较小，但输出的电流更精确
• 允许组合输出以获得低/高分辨率

就第一点而言，这些电流源可以简单地并联。例如，AD5770R的通道1 (250mA) 和通道 2 (150mA) 叠加，可以提供400mA的总驱动（图5）。当然，设计人员不能忽视以下警告：顺从电压必须在规格书规定的范围内；输出电压必须保持在规格书规定的最大绝对额定值范围内。

同样，5通道LTC2662具有八个电流范围，各通道均可编程，满量程输出达300mA、20 mA、100mA、50mA、25mA、12.5mA、6.25mA和3.125mA；这些电流均可组合，最大输出电流可达1.5A。

借助低分辨率和高分辨率设置（上述第三点，即最后一点），并行输出还能提供一种简便方法来提高所需标称输出值的整体分辨率。将一路宽范围输出与另一路小范围输出并联，前者可设为低分辨率，而后者设为高分辨率，以此提供的分辨率即可超出各通道的12/16位额定值（但必须占用5通道中的2个）。

3. 上电复位 (POR) 和输出毛刺等瞬态条件

许多应用中，上电时的DAC输出（称为上电复位，POR）是个难题，因为处理器（及其软件）无法立即初始化DAC。虽然在处理器代码中DAC初始化具有最高优先级，但是具有多个直流电源轨的处理器启动时间可能比简单的DAC更长。

处理器与DAC的启动时间差可能导致不可接受的DAC输出——例如，使用DAC控制活动元件的情况。因此，了解POR时DAC通道的状态就显得尤为重要。基于上述原因，LTC2662的输出在上电时复位为高阻态，使系统初始化保持一致且可重复。AD5770R具有异步复位引脚，可由硬件定时器或复位锁定驱动；将引脚置为逻辑低电平10ns以上，即可将所有寄存器复位为默认值。

此外，输出转换时的毛刺可能也是个难题。每当DAC加载新代码模式的数据位时，由于两种代码间存在时钟偏移，因而在新旧代码转换过程中，DAC会产生错误输出；与POR一样，这可能也不可接受。为避免这种情况，LT2662和AD5770将DAC加载的缓冲数据增加一倍。单个或多个通道的所有数据位均可写入相应的输入寄存器，而不会影响DAC输出。向器件发出“加载DAC”的单一命令，即可将输入寄存器内容发送到DAC寄存器，更新DAC输出而不会出现毛刺。

4. DAC数据和输出完整性；精度

这类DAC所适用的应用大多具有活动元件和机械元件，因此或许有必要验证DAC的性能。这就需要注意 DAC 的数字输入及实际电流输出值。

针对完整性问题，AD5770R和LTC2662等高级DAC可提供多种解决方案：数据回读、基于内部循环冗余校验 (CRC) 的数据完整性确认以及间接输出电流测量。前两种用于发送到并存储于DAC的数据确认；第三种用于监视DAC产生的电流。

由于软件必须启动回读并将其值与原始发送值进行比较，因此基本数据回读需要处理器操作，并会产生CPU负载。但是，AD5770R的内置CRC功能并不会造成负担。AD5770R对片上数据寄存器定期执行后台CRC操作，确保存储器位不会损坏。如果确定存在数据错误，就会在状态寄存器中设置报警标志位。

确保DAC性能可靠性的最终测试是测量输出电流和顺从电压值。AD5770R和LTC2662均具有诊断功能，允许用户通过多路电压来监控所对应的这些参数。用户可以选择多路复用器输出对应的电压，从而使用外部ADC进行测量。对于AD5770R而言，电流监控可精确到满量程输出范围10%以内，足以确定过失误差和故障。如果设计人员需要输出监控精度更高，则可以校准读数。

DAC 输出的绝对精度很大程度上取决于基准电压源和一些内部精密电阻的性能。AD5770R包括1.25V基准电压源，最大温度系数为15 ppm/℃；LTC2662的1.25V基准电压源则为10ppm/℃。借助这些DAC中精密基准电压源的性能，设计人员可以更轻松地实现整个系统的精度目标，因为这些基准电压源也可供外部使用（增加外部缓冲即可）。

规格值分别为10ppm/℃和15ppm/℃的内部基准电压源可能完全足以应付多数情况。但是，考虑到这些DAC宽泛的工作温度范围（AD5770R：-40℃至+105℃，LTC2662：-40℃至125℃），基准电压源在某些情况下可能会因温度导致偏移过大。

这两款DAC均提供了解决方案：可使用外部基准电压源，并为该基准源提供内部缓冲器。如果需要的温度系数较小，也可以选择低漂移基准电压源，如LTC6655（温度系数为2ppm/℃）。使用这种高性能外部基准电压源并非易事：需要格外注意电路板布局、机械应力、生产焊接温度曲线及其他易于损害特定性能的细节。

5. 散热

务必谨记这些DAC均以受控电流的形式为负载供电。因此，IC耗散和自热都是必须分析的问题，确保不会超过内部芯片的最大允许温度。在多数情况下，需要通过印刷电路板来散热，其中使用IC焊球作为热导管。

热分析时，首先分析各通道的峰值电流、平均电流及其相关耗散。然后对IC到电路板的路径和电路板的散热能力进行热建模（例如层数、可用铜面积以及使用相同散热区域的其他元件）。AD5770R（使用2.9V至5.5V单电源供电）规格书上提供的计算示例显示，多路输出均提供指定电流时某环境温度下的功耗。设计人员可以此为指南并针对具体情况进行初步分析。

为了避免不必要的耗散，LTC2662的各输出通道均具有独立电源引脚。各通道均可由2.85V至33V的独立电源供电，从而针对各种负载调节各通道的耗散功率和顺从电流裕量。

综合应用

尽管概念很简单，但是AD5770R和LTC2662等多通道电流输出DAC具有大量的寄存器，可用于控制范围设置、数据加载、回读和标志位等基本功能。除了SPI总线和DAC输出所需的物理连接外，还具有许多其他选项。

基于上述原因，使用评估板（例如适用于LTC2662及相关软件的DC2629A-A）可以节省时间并最大限度地减少烦恼，同时还可以在实际应用场景中简化DAC的性能评估（图6）。

该评估板专为16位LTC2662设计，简化了与DAC的连接，并且可以评估外部基准电压源的使用等可选特性。该演示电路通过USB电缆连接用户的计算机。

随附软件的GUI控制面板可用于执行DAC，轻松使用所有特性和功能（图7）。

总结

电流输出DAC虽不如电压输出DAC广为人知，但是对于许多实际应用和负载而言都是不可或缺的器件。这类DAC，尤其是Analog Devices的AD5770R和LTC2662等输出电流较大的多通道器件，可提供众多功能和用户设置，使设计人员能够在目标应用中优化其适配性和性能。用户若能了解这类DAC 及其特性，必能受益于其功能和特性。

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