一种利用电流输出DAC构建单电源的设计方法

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。

变压器通常被认为是将高速电流输出DAC的互补输出转换为单端电压输出的最佳选择,因为变压器不会增加噪声,也不会消耗功率.尽管变压器在高频信号下表现良好,但它们无法处理许多仪表和医疗应用所需要的低频信号.这些应用要求一个低功耗、低失真、低噪声的高速放大器,以将互补电流转换成单端电压.此处展示的三个电路接受来自DAC的互补输出电流,并提供单端输出电压.将后两者的失真与变压器解决方案进行比较.

差分放大器: AD8129和AD8130差分转单端放大器(图15)用于第一个电路(图16).它们在高频下具有极高的共模抑制性能.AD8129在增益为10或以上时保持稳定,而AD8130则在单位增益下保持稳定.它们的用户可调增益可以由, RF 和 RG.两个电阻的比值来设置.AD8129和AD8130在引脚1和引脚8上具有很高的输入阻抗,不受增益设置的影响.基准电压 (VREF, 引脚4)可以用来设置偏置电压,该偏置电压被乘以与差分输入电压相同的增益.

方程1和方程2所示为放大器的输出电压与DAC的互补输出电流之间的关系.端接电阻RT,执行电流-电压转换;RF 与RG之比决定了增益. VREF 在方程2中被设为0.

展示的是电路的无杂散动态范围(SFDR),它是频率的函数,采用DAC和AD8129,其中,RF = 2kΩ, RG = 221Ω, RT = 100Ω, 且VO = 8Vp-p, 两个电源电压对应的不同值.此处选择了AD8129,因为它提供较大的输出信号,在G = 10时保持稳定,与AD8130相比,具有较高的增益带宽积.两种情况下,SFDR一般都要好于55dB,超过10MHz,在低电源电压下,约有>3dB的改善.

单位增益下的运算放大器: 第二个电路(图18)采用了一个高速放大器与两个 RT电阻.该放大器只是通过, RT将互补电流I1和 I2, 转换成单端输出电压, VO这个简单的电路不允许以放大器为增益模块放大信号.

方程3所示为VO 与DAC输出电流之间的关系.失真数据通过与RT并联的5pF电容进行测量

为了展示这个电路的性能,DAC与ADA4857 和 ADA4817 运算放大器配对,其中T = 125Ω (and CT = CF = 5 pF与RT 并联,以实现稳定性和低通滤波).单通道ADA4857-1和双通道ADA4857-2为单位增益稳定型、高速、电压反馈放大器,具有低失真、低噪声和高压摆率等特点.作为众多应用(包括超声、ATE、有源滤波器、ADC驱动器等)的理想解决方案,其带宽为850 MHz,压摆率为2800 V/μs,0.1%建立时间为10ns——全部都是在5mA的静态工作电流下实现.ADA4857-1和ADA4857-2具有宽工作电压范围(5V至10V),特别适合需要宽动态范围、精密、高速度和低功耗的系统

ADA4817-1(单通道)和ADA4817-2(双通道)FastFET?放大器是具有FET输入的单位增益稳定、超高速电压反馈型运算放大器.它们采用ADI公司的专有超快速互补双极性(XFCB)工艺制造,具有超低的噪声(4nV/√Hz和2.5fA/√Hz)和极高的输入阻抗.其输入电容为1.3pF,最大失调电压为2mV,功耗低(19mA),−3dB带宽较宽(1050MHz),非常适合数据采集前端、光电二极管前置放大器以及其他宽带跨阻应用.它们具有5V至10V的宽电源电压范围,可采用单电源或双电源供电,适合包括有源滤波、ADC驱动和DAC缓冲在内的各种应用.

比较了该电路在VO = 500mV p-p 时相对于一个采用变压器的电路的失真和频率之间的关系.变压器的失真低于放大器,后者的增益在高频下不断下降,但采用变压器的失真却在低频下不断变差.在此,可在有限范围内实现接近90dB的SFDR,在高达10MHz时优于70dB.