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) 需求也在增加。尽管设计师熟悉传统的电压输出 DAC，但许多应用需要使用电流输出 DAC，控制低阻抗电阻、电感和电抗负载，提供精确稳定的高分辨率电流(数十或数百毫安)。 虽然这些负载可以由电压驱动，但使用电流源或驱动器对这些传感器更有效、更准确。然而，电流输出 DAC 不是电压输出 DAC 简单的直接替代品。 本文简要说明了为什么电流输出 DAC 这是一个有效且通常必不可少的解决方案。此外，本文还 Analog Devices 推出的两款 IC：6 通道 14 位的 AD5770R 和 5 通道 16/12 位的 LTC2662 以电流输出为例 DAC 有效使用方法。
DAC 是模数转换器(ADC) 功能补充，但两者面临的挑战却大不相同。ADC 其主要功能是将未知的随机输入信号连续数字化，并将结果传输到兼容处理器。不同于 ADC，DAC 输入来自处理器稳定有界的数字信号，没有信噪比 (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。
需要接入某些传感器和控制电路 DAC 准确控制电流。这些应用包括扬声器线圈、螺钉管和电机、开环和闭环工业系统、科学系统和光学系统、基本电阻加热器或精密可调激光器、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）。
图 1：电流输出 DAC 适用于光放大器节点，可控制光放大器、可调激光器和恒温激光加热器 LT2662 多通道 DAC 为例。
这些通常是低阻抗电阻、电感和磁性负载。虽然这些负载也可以由电压驱动，但电压与端部效应的关系更为复杂，通常是非线性的。因此，使用电流源对这些传感器更有效、更准确。 设计师往往不熟悉如何使用电流输出 DAC 产生精密电流输出。输出传统电压 DAC 转换为电流输出装置的方法是将配置添加到电压中 - 电流 (V/I) 图 2）。
图 2:使用操作放大器(左)或带MOSFET电压输出的操作放大器(右)可以将电压源转换为电流源，但与实际电流输出相比 DAC 在技术上，设计可能相对难以实现或不令人满意。
然而，这种方法需要在材料清单上 (BOM) 在印刷电路板上添加更多的有源和无源元件，操作放大器必须有良好的拉力 / 必须使用灌电流能力 MOSFET 升压。此外，由于增加了更多具有独立规格的有源元件和无源元件，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。
无论是电流输出还是电压输出装置 DAC 它们大多是由分辨率和更新速度定义的。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 典型的负载变化通常相对较慢。因此，这类 DAC 分辨率范围为 12 位至 16 位，更新率为每秒数十次或数百次采样。 但是，选择或使用电流输出 DAC 用户必须注意并解决使用电压输出的问题 DAC 一些可能不存在的关键问题：
顺从电压和压差
电流驱动范围和分辨率(增强这两个特性)
上电复位 (POR) 输出毛刺等瞬态条件
DAC 数据和输出的完整性
散热 下面将以 AD5770R 和 LTC2662 例如，详细讨论这些设计问题。
除了 DAC 除常规线性和精度规格外，电流输出 DAC 电压输出还有两个参数 DAC 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能达到的最大电压——一种基本但关键的情况。只要负载两端的电压在设计限制范围内，电流源就能驱动负载；如果电流源输出的电流驱动负载，负载两端必然会施加所需的电压。电流源可以调节输出电压，为负载提供所需的电流。 例如，以 10mA 电流驱动 1kΩ至少需要负载 10V 顺从电压。如果电压降低超过顺从电压，则 DAC 无法输出电流。相反，如果负载电流超过电压源的额定电流，则电压源不能提供标称电源电压。 假设用 DAC(或任何电流源)驱动串联驱动 10 个 LED，每个 LED 上电压降为 1.5V，电流为 20mA。若电流源不能存在 15V 下输出直流电压(加上部分裕度) 20mA 即使在较低的电压下，电流也无法输出电流。电流输出 DAC 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？虽然这是电流源的基本特性(根据 V=IR），然而，一些资质较低的工程师只处理过电压源，因此他们经常忽视这个问题。毕竟，如果工程师听说需要 12V 电源，第一个问题往往是电流是多少。但对于电流源来说，相应的问题应该是服从电压是多少，但往往被忽略。 电流输出 DAC 顺从电压不受影响 DAC 自身电源轨的限制。例如，多通道 LTC2662 每个通道都有一个独立的电源引脚，使每个通道的顺从电压与负载需求相匹配，并最大限度地减少总耗散功率。 另外，电流输出 DAC 也具有压差限制，即 DAC 保持输出调节所需的最小压降。压差是负载电流的函数；压差越小，DAC 工作范围越广 通道 LTC2662 高顺从电压输出电流输出 200mA 保证电流 1V 压差（图 3）。
图 三、在整个电流输出范围内，LTC2662 压差低于 1V，确保所有输出电流值都有足够的工作量。
电流输出 DAC 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，而不是灌入电流；但是，如果需要灌入电流，也有相应的通道可供使用需遵守附加限制)。 多通道多输出范围 DAC 有两个属性：允许输出叠加，以输出更高的总电流；可实现各通道分辨率与应用程序的最佳匹配。这样，分辨率就可以得到最大限度的有效利用，而不是局限于 DAC 部分动态范围造成浪费。这相当于在 ADC 可编程增益放大器用于输入端 (PGA)，调整输入信号以适应 ADC 输入范围。若输出范围为 100mA 的 14 位电流输出 DAC 用于 0 至 25mA 只能提供驱动范围 12 有效效分辨率浪费 2 位。 因此，AD5770R 和 LTC2662 多路输出提供不同的输出范围。AD5770R 包含 5 个 14 位电流源通道和 1 个 14 位拉 / 灌通道（图 4）。
图 4：Analog Devices 的 AD5770R 是一款 6 通道 14 位电流输出 DAC，具有片上基准电压源和串行外设接口 (SPI)，还有许多其他特性和功能。
通道配置如下：
通道 0：0 mA 至 300 mA，-60 mA 至 300 mA，-60mA 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
该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方便的解决方案
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
允许组合输出低 / 高分辨率 首先，这些电流源可以简单地并联。AD5770R 的通道 1 (250mA) 和通道 2 (150mA) 可提供叠加 400mA 总驱动(图 5)。当然，设计师不能忽视以下警告：顺从电压必须在规格规定的范围内；输出电压必须保持在规格规定的最大绝对额定值范围内。
图 5：这些 DAC 输出可并联组合，因此可以轻松提供大电流；250mA 电流源和 150mA 可提供电流源 400mA 可完全轻松控制的电流。
同样，5 通道 LTC2662 各通道可编程8个电流范围，满量程输出 300mA、20 mA、100mA、50mA、25mA、12.5mA、6.25mA 和 3.125mA；这些电流可以组合，最大输出电流可以达到 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 定值(但必须占用) 5 通道中的 2 个）。
在许多应用中，上电的 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。
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。 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。
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）。
图 6：演示电路和评估板（例如适用于 LTC2662 电流源 DAC 的 DC2629A-A）简化了连接，允许随时使用多通道电流输出 DAC 的众多功能和特性。
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）。
图 7：通过 USB 连接计算机，评估软件和 GUI 可用于设置和执行 LTC2662 DAC 的多数寄存器和选项——这是设计工作中不可或缺的一个过程。
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。