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以實現(xiàn)變化，因而對數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 的需求也日益增長。雖然設(shè)計人員很熟悉傳統(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）來控制低阻抗電阻、電感和電抗性負載。

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

本文簡要說明為什么電流輸出 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 對比 ADC

DAC 是模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的功能補充，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，將未知的隨機輸入信號連續(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 的輸入是來自處理器的穩(wěn)定且有界的數(shù)字信號，不存在信噪比 (SNR) 問題。然而，DAC 輸出卻面臨驅(qū)動外部負載的挑戰(zhàn)，就電氣上而言，這或許更為困難。

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)用包括揚聲器線圈、螺線管和電機；開環(huán)和閉環(huán)工業(yè)系統(tǒng)、科學系統(tǒng)和光學系統(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；自動測試設(shè)備 (ATE) 探針刺激；用于電池充電的精密電流輸出；發(fā)燒友公眾號回復資料可以免費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）

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

設(shè)計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)換器的輸出運算放大器（圖 2）。

圖 2：使用運算放大器（左）或帶 MOSFET 升壓輸出的運算放大器（右），可將電壓源轉(zhuǎn)換為電流源，但是相較于實際采用電流輸出 DAC 的設(shè)計，可能相對難以實現(xiàn)，或在技術(shù)上差強人意。（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立規(guī)格的有源元器件以及無源元器件，因此整個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，由于其機電特性或熱特性，電流輸出 DAC 的典型負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，用戶必須注意并解決使用電壓輸出 DAC 時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)動范圍和分辨率（增強這兩種特性）
3. 上電復位 (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，詳細探討這些設(shè)計問題。

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所能達到的最大電壓——一種基本卻十分關(guān)鍵的情形。只要負載兩端的電壓在設(shè)計限制范圍內(nèi)，電流源就可以驅(qū)動負載；要想使用電流源輸出的電流驅(qū)動負載，就必然會在負載兩端施加所需電壓。電流源可調(diào)節(jié)輸出電壓，為負載提供所需的電流。

例如，以 10 mA 電流驅(qū)動 1 kΩ 負載需要至少 10 V 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，如果負載電流超過電壓源的額定電流，則電壓源也無法提供標稱電源電壓。

假設(shè)用 DAC（或任何電流源）驅(qū)動串聯(lián)的 10 個 LED，每個 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，就無法輸出該電流，即使在較低電壓下可以輕松實現(xiàn)也無濟于事。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 12 V 電源，第一個問題往往都是“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 的每個通道都有獨立的電源引腳，使各通道的順從電壓都能與負載需求相匹配，同時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 電流時可保證 1 V 壓差（圖 3）。

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

2.電流驅(qū)動范圍和分辨率（增強這兩種特性）

電流輸出 DAC 的輸出驅(qū)動能力可達數(shù)百毫安。請注意，電流輸出 DAC 通常設(shè)計為拉出電流，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 具有兩個屬性：為了輸出更高的總電流，允許將輸出疊加；可實現(xiàn)各通道分辨率與應(yīng)用的最佳匹配。通過這種方式，就能最大限度地有效利用分辨率，而非局限于 DAC 的部分動態(tài)范圍而造成浪費。這相當于在 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)動范圍，只能提供 12 位有效分辨率，浪費了 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 14 位電流源通道和 1 個 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)動優(yōu)勢，可用于多種用途：

• 為增加最大驅(qū)動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

就第一點而言，這些電流源可以簡單地并聯(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（圖 5）。當然，設(shè)計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，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。（圖片來源：Analog Devices）

同樣，5 通道 LTC2662 具有八個電流范圍，各通道均可編程，滿量程輸出達 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 1.5 A。

借助低分辨率和高分辨率設(shè)置（上述第三點，即最后一點），并行輸出還能提供一種簡便方法來提高所需標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）。

3.上電復位 (POR) 和輸出毛刺等瞬態(tài)條件

許多應(yīng)用中，上電時的 DAC 輸出（稱為上電復位，POR）是個難題，因為處理器（及其軟件）無法立即初始化 DAC。雖然在處理器代碼中 DAC 初始化具有最高優(yōu)先級，但是具有多個直流電源軌的處理器啟動時間可能比簡單的 DAC 更長。

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

此外，輸出轉(zhuǎn)換時的毛刺可能也是個難題。每當 DAC 加載新代碼模式的數(shù)據(jù)位時，由于兩種代碼間存在時鐘偏移，因而在新舊代碼轉(zhuǎn)換過程中，DAC 會產(chǎn)生錯誤輸出；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。單個或多個通道的所有數(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)用大多具有活動元件和機械元件，因此或許有必要驗證 DAC 的性能。這就需要注意 DAC 的數(shù)字輸入及實際電流輸出值。

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 (CRC) 的數(shù)據(jù)完整性確認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；第三種用于監(jiān)視 DAC 產(chǎn)生的電流。

由于軟件必須啟動回讀并將其值與原始發(fā)送值進行比較，因此基本數(shù)據(jù)回讀需要處理器操作，并會產(chǎn)生 CPU 負載。但是，AD5770R 的內(nèi)置 CRC 功能并不會造成負擔。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)錯誤，就會在狀態(tài)寄存器中設(shè)置報警標志位。

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用器輸出對應(yīng)的電壓，從而使用外部 ADC 進行測量。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)計人員需要輸出監(jiān)控精度更高，則可以校準讀數(shù)。

DAC 輸出的絕對精度很大程度上取決于基準電壓源和一些內(nèi)部精密電阻的性能。AD5770R 包括 1.25 V 基準電壓源，最大溫度系數(shù)為 15 ppm/℃；LTC2662 的 1.25 V 基準電壓源則為 10 ppm/℃。借助這些 DAC 中精密基準電壓源的性能，設(shè)計人員可以更輕松地實現(xiàn)整個系統(tǒng)的精度目標，因為這些基準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℃），基準電壓源在某些情況下可能會因溫度導致偏移過大。

這兩款 DAC 均提供了解決方案：可使用外部基準電壓源，并為該基準源提供內(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電壓源，如LTC6655（溫度系數(shù)為 2 ppm/℃）。使用這種高性能外部基準電壓源并非易事：需要格外注意電路板布局、機械應(yīng)力、生產(chǎn)焊接溫度曲線及其他易于損害特定性能的細節(jié)。

5.散熱

務(wù)必謹記這些 DAC 均以受控電流的形式為負載供電。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 焊球作為熱導管。

熱分析時，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)格書上提供的計算示例顯示，多路輸出均提供指定電流時某環(huán)境溫度下的功耗。設(shè)計人員可以此為指南并針對具體情況進行初步分析。

為了避免不必要的耗散，LTC2662 的各輸出通道均具有獨立電源引腳。各通道均可由 2.85 V 至 33 V 的獨立電源供電，從而針對各種負載調(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。

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)省時間并最大限度地減少煩惱，同時還可以在實際應(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，簡化了與 DAC 的連接，并且可以評估外部基準電壓源的使用等可選特性。該演示電路通過 USB 電纜連接用戶的計算機。

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 USB 連接計算機，評估軟件和 GUI 可用于設(shè)置和執(zhí)行 LTC2662 DAC 的多數(shù)寄存器和選項——這是設(shè)計工作中不可或缺的一個過程。（圖片來源：Analog Devices）

總結(jié)

電流輸出 DAC 雖不如電壓輸出 DAC 廣為人知，但是對于許多實際應(yīng)用和負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)計人員能夠在目標應(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。