一種利用電流輸出DAC構(gòu)建單電源的設(shè)計(jì)方法

隨著電子產(chǎn)品的普及，人們希望將數(shù)字系統(tǒng)與模擬世界連接起來(lái)以實(shí)現(xiàn)變化，因而對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 的需求也日益增長(zhǎng)。雖然設(shè)計(jì)人員很熟悉傳統(tǒng)的電壓輸出DAC，但是許多應(yīng)用卻需要使用電流輸出DAC，以提供精確、穩(wěn)定的高分辨率電流(數(shù)十或數(shù)百毫安)來(lái)控制低阻抗電阻、電感和電抗性負(fù)載。

盡管這些負(fù)載可以由電壓驅(qū)動(dòng)，但是對(duì)于這些傳感器而言，使用電流源或驅(qū)動(dòng)器卻更有效、更精確。不過(guò)，電流輸出DAC并非電壓輸出DAC的簡(jiǎn)單“直接”替代品。

本文簡(jiǎn)要說(shuō)明為什么電流輸出DAC是行之有效且往往必不可少的解決方案。此外，本文還以Analog Devices推出的兩款I(lǐng)C：6通道14位的AD5770R和5通道16/12位的LTC2662為例，著重介紹了電流輸出DAC的有效使用方法。

DAC對(duì)比ADC

DAC是模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的功能補(bǔ)充，但兩者面臨的挑戰(zhàn)卻截然不同。ADC的主要作用是在存在外部和內(nèi)部噪聲的情況下，將未知的隨機(jī)輸入信號(hào)連續(xù)數(shù)字化，并將結(jié)果傳輸?shù)郊嫒莸奶幚砥?。不同于ADC，DAC的輸入是來(lái)自處理器的穩(wěn)定且有界的數(shù)字信號(hào)，不存在信噪比 (SNR) 問(wèn)題。然而，DAC輸出卻面臨驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載的挑戰(zhàn)，就電氣上而言，這或許更為困難。

電流輸出DAC對(duì)比電壓輸出DAC

某些傳感器和控制回路需要接入DAC來(lái)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(kāi)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(cè)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)。

這些往往都是低阻抗電阻、電感和磁性負(fù)載。雖然這些負(fù)載也可以由電壓驅(qū)動(dòng)，但是電壓與端部效應(yīng)的關(guān)系較為復(fù)雜，并且通常呈非線性。因此，對(duì)于這類傳感器而言，使用電流源更有效、更精確。

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)。

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(wú)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(wú)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。

變壓器通常被認(rèn)為是將高速電流輸出DAC的互補(bǔ)輸出轉(zhuǎn)換為單端電壓輸出的最佳選擇,因?yàn)樽儔浩鞑粫?huì)增加噪聲,也不會(huì)消耗功率.盡管變壓器在高頻信號(hào)下表現(xiàn)良好,但它們無(wú)法處理許多儀表和醫(yī)療應(yīng)用所需要的低頻信號(hào).這些應(yīng)用要求一個(gè)低功耗、低失真、低噪聲的高速放大器,以將互補(bǔ)電流轉(zhuǎn)換成單端電壓.此處展示的三個(gè)電路接受來(lái)自DAC的互補(bǔ)輸出電流,并提供單端輸出電壓.將后兩者的失真與變壓器解決方案進(jìn)行比較.

差分放大器: AD8129和AD8130差分轉(zhuǎn)單端放大器(圖15)用于第一個(gè)電路(圖16).它們?cè)诟哳l下具有極高的共模抑制性能.AD8129在增益為10或以上時(shí)保持穩(wěn)定,而AD8130則在單位增益下保持穩(wěn)定.它們的用戶可調(diào)增益可以由, RF 和 RG.兩個(gè)電阻的比值來(lái)設(shè)置.AD8129和AD8130在引腳1和引腳8上具有很高的輸入阻抗,不受增益設(shè)置的影響.基準(zhǔn)電壓 (VREF, 引腳4)可以用來(lái)設(shè)置偏置電壓,該偏置電壓被乘以與差分輸入電壓相同的增益.

方程1和方程2所示為放大器的輸出電壓與DAC的互補(bǔ)輸出電流之間的關(guān)系.端接電阻RT,執(zhí)行電流-電壓轉(zhuǎn)換;RF 與RG之比決定了增益. VREF 在方程2中被設(shè)為0.

展示的是電路的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR),它是頻率的函數(shù),采用DAC和AD8129,其中,RF = 2kΩ, RG = 221Ω, RT = 100Ω, 且VO = 8Vp-p, 兩個(gè)電源電壓對(duì)應(yīng)的不同值.此處選擇了AD8129,因?yàn)樗峁┹^大的輸出信號(hào),在G = 10時(shí)保持穩(wěn)定,與AD8130相比,具有較高的增益帶寬積.兩種情況下,SFDR一般都要好于55dB,超過(guò)10MHz,在低電源電壓下,約有>3dB的改善.

單位增益下的運(yùn)算放大器: 第二個(gè)電路(圖18)采用了一個(gè)高速放大器與兩個(gè) RT電阻.該放大器只是通過(guò), RT將互補(bǔ)電流I1和 I2, 轉(zhuǎn)換成單端輸出電壓, VO這個(gè)簡(jiǎn)單的電路不允許以放大器為增益模塊放大信號(hào).

方程3所示為VO 與DAC輸出電流之間的關(guān)系.失真數(shù)據(jù)通過(guò)與RT并聯(lián)的5pF電容進(jìn)行測(cè)量

為了展示這個(gè)電路的性能,DAC與ADA4857 和 ADA4817 運(yùn)算放大器配對(duì),其中T = 125Ω (and CT = CF = 5 pF與RT 并聯(lián),以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性和低通濾波).單通道ADA4857-1和雙通道ADA4857-2為單位增益穩(wěn)定型、高速、電壓反饋放大器,具有低失真、低噪聲和高壓擺率等特點(diǎn).作為眾多應(yīng)用(包括超聲、ATE、有源濾波器、ADC驅(qū)動(dòng)器等)的理想解決方案,其帶寬為850 MHz,壓擺率為2800 V/μs,0.1%建立時(shí)間為10ns——全部都是在5mA的靜態(tài)工作電流下實(shí)現(xiàn).ADA4857-1和ADA4857-2具有寬工作電壓范圍(5V至10V),特別適合需要寬動(dòng)態(tài)范圍、精密、高速度和低功耗的系統(tǒng)

ADA4817-1(單通道)和ADA4817-2(雙通道)FastFET?放大器是具有FET輸入的單位增益穩(wěn)定、超高速電壓反饋型運(yùn)算放大器.它們采用ADI公司的專有超快速互補(bǔ)雙極性(XFCB)工藝制造,具有超低的噪聲(4nV/√Hz和2.5fA/√Hz)和極高的輸入阻抗.其輸入電容為1.3pF,最大失調(diào)電壓為2mV,功耗低(19mA),?3dB帶寬較寬(1050MHz),非常適合數(shù)據(jù)采集前端、光電二極管前置放大器以及其他寬帶跨阻應(yīng)用.它們具有5V至10V的寬電源電壓范圍,可采用單電源或雙電源供電,適合包括有源濾波、ADC驅(qū)動(dòng)和DAC緩沖在內(nèi)的各種應(yīng)用.

比較了該電路在VO = 500mV p-p 時(shí)相對(duì)于一個(gè)采用變壓器的電路的失真和頻率之間的關(guān)系.變壓器的失真低于放大器,后者的增益在高頻下不斷下降,但采用變壓器的失真卻在低頻下不斷變差.在此,可在有限范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)接近90dB的SFDR,在高達(dá)10MHz時(shí)優(yōu)于70dB.