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 IC：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?a target="_blank">處理器。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；發(fā)燒友公眾號(hào)回復(fù)資料可以免費(fèi)獲取電子資料一份記得留郵箱地址。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(lái)源：Analog Devices）

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）。

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(duì)難以實(shí)現(xiàn)，或在技術(shù)上差強(qiáng)人意。（圖片來(lái)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(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。

解決問(wèn)題

無(wú)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(lái)定義。電流輸出 DAC 通常不用于信號(hào)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(duì)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(guò)，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(wèn)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(wèn)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(huì)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 10 mA 電流驅(qū)動(dòng) 1 kΩ 負(fù)載需要至少 10 V 的順從電壓。如果該電壓降超過(guò)順從電壓，則 DAC 將無(wú)法輸出該電流。與之相對(duì)，如果負(fù)載電流超過(guò)電壓源的額定電流，則電壓源也無(wú)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 1.5 V，電流為 20 mA。如果電流源不能在 15 V 直流電壓（加上部分裕量）下輸出 20 mA 電流，就無(wú)法輸出該電流，即使在較低電壓下可以輕松實(shí)現(xiàn)也無(wú)濟(jì)于事。對(duì)于電流輸出 DAC 而言，順從電壓越接近 DAC 輸出級(jí)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(guò)電壓源，因而經(jīng)常忽略這一問(wèn)題。畢竟，若工程師聽(tīng)說(shuō)需要 12 V 電源，第一個(gè)問(wèn)題往往都是“電流是多少”。然而，對(duì)于電流源而言，相應(yīng)問(wèn)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 200 mA 電流時(shí)可保證 1 V 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 1 V，確保所有輸出電流值時(shí)都有足夠的工作裕量。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

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

電流輸出 DAC 的輸出驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)數(shù)百毫安。請(qǐng)注意，電流輸出 DAC 通常設(shè)計(jì)為拉出電流，而非灌入電流；但是如果需要灌入電流，也有相應(yīng)的通道可供使用（只是必須遵守附加限制）。

多通道多輸出范圍 DAC 具有兩個(gè)屬性：為了輸出更高的總電流，允許將輸出疊加；可實(shí)現(xiàn)各通道分辨率與應(yīng)用的最佳匹配。通過(guò)這種方式，就能最大限度地有效利用分辨率，而非局限于 DAC 的部分動(dòng)態(tài)范圍而造成浪費(fèi)。這相當(dāng)于在 ADC 輸入端使用可編程增益放大器 (PGA)，調(diào)節(jié)輸入信號(hào)以適應(yīng) ADC 的輸入范圍。若使用輸出范圍為 100 mA 的 14 位電流輸出 DAC 用于 0 至 25 mA 的驅(qū)動(dòng)范圍，只能提供 12 位有效分辨率，浪費(fèi)了 2 位。

因此，AD5770R 和 LTC2662 的多路輸出提供了不同的輸出范圍。例如，AD5770R 包含 5 個(gè) 14 位電流源通道和 1 個(gè) 14 位拉/灌通道（圖 4）。

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(lái)源：Analog Devices）

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

這種配置具有多種驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)，可用于多種用途：

• 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(zhǎng)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(jiǎn)單地并聯(lián)。例如，AD5770R 的通道 1 (250 mA) 和通道 2 (150 mA) 疊加，可以提供 400 mA 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(shū)規(guī)定的范圍內(nèi)；輸出電壓必須保持在規(guī)格書(shū)規(guī)定的最大絕對(duì)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，250 mA 電流源和 150 mA 電流源可提供 400 mA 可完全輕松控制的電流。（圖片來(lái)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) 300 mA、200 mA、100 mA、50 mA、25 mA、12.5 mA、6.25 mA 和 3.125 mA；這些電流均可組合，最大輸出電流可達(dá) 1.5 A。

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(jiǎn)便方法來(lái)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(wú)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(jí)，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(jiǎn)單的 DAC 更長(zhǎng)。

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 10 ns 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(guò)程中，DAC 會(huì)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(xiě)入相應(yīng)的輸入寄存器，而不會(huì)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(huì)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(duì)完整性問(wèn)題，AD5770R 和 LTC2662 等高級(jí) 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(cè)量。前兩種用于發(fā)送到并存儲(chǔ)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(huì)產(chǎn)生 CPU 負(fù)載。但是，AD5770R 的內(nèi)置 CRC 功能并不會(huì)造成負(fù)擔(dān)。AD5770R 對(duì)片上數(shù)據(jù)寄存器定期執(zhí)行后臺(tái) CRC 操作，確保存儲(chǔ)器位不會(huì)損壞。如果確定存在數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，就會(huì)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(cè)試是測(cè)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(guò)多路電壓來(lái)監(jiān)控所對(duì)應(yīng)的這些參數(shù)。用戶可以選擇多路復(fù)用器輸出對(duì)應(yīng)的電壓，從而使用外部 ADC 進(jìn)行測(cè)量。對(duì)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(guò)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(duì)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 1.25 V 基準(zhǔn)電壓源，最大溫度系數(shù)為 15 ppm/℃；LTC2662 的 1.25 V 基準(zhǔn)電壓源則為 10 ppm/℃。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 10 ppm/℃ 和 15 ppm/℃ 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(huì)因溫度導(dǎo)致偏移過(guò)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 2 ppm/℃）。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(wèn)題，確保不會(huì)超過(guò)內(nèi)部芯片的最大允許溫度。在多數(shù)情況下，需要通過(guò)印刷電路板來(lái)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(duì) 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 2.9 V 至 5.5 V 單電源供電）規(guī)格書(shū)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(duì)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 2.85 V 至 33 V 的獨(dú)立電源供電，從而針對(duì)各種負(fù)載調(diào)節(jié)各通道的耗散功率和順從電流裕量。

綜合應(yīng)用

盡管概念很簡(jiǎn)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(píng)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(chǎng)景中簡(jiǎn)化 DAC 的性能評(píng)估（圖 6）。

圖 6：演示電路和評(píng)估板（例如適用于 LTC2662 電流源 DAC 的 DC2629A-A）簡(jiǎn)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(lái)源：Analog Devices）

該評(píng)估板專為 16 位 LTC2662 設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了與 DAC 的連接，并且可以評(píng)估外部基準(zhǔn)電壓源的使用等可選特性。該演示電路通過(guò) 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）。

圖 7：通過(guò) USB 連接計(jì)算機(jī)，評(píng)估軟件和 GUI 可用于設(shè)置和執(zhí)行 LTC2662 DAC 的多數(shù)寄存器和選項(xiàng)——這是設(shè)計(jì)工作中不可或缺的一個(gè)過(guò)程。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

總結(jié)

電流輸出 DAC 雖不如電壓輸出 DAC 廣為人知，但是對(duì)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。