隨著電子產品的普及，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)模轉換器 (DAC) 的需求也日益增長。雖然設計人員很熟悉傳統(tǒng)的電壓輸出DAC，但是許多應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動，但是對于這些傳感器而言，使用電流源或驅動器卻更有效、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，并將結果傳輸?shù)郊嫒莸奶幚砥鳌２煌贏DC，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)中與控制相關的設置;基本電阻加熱器或精密可調諧激光器;自動測試設備 (ATE) 探針刺激;用于電池充電的精密電流輸出;以及可調光 LED(圖1)。

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動，但是電壓與端部效應的關系較為復雜，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。

設計人員往往不太熟悉如何使用電流輸出DAC產生精密電流輸出。一種將傳統(tǒng)的電壓輸出DAC轉換為電流輸出器件的方法是，添加配置為電壓-電流 (V/I) 轉換器的輸出運算放大器(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。

變壓器通常被認為是將高速電流輸出DAC的互補輸出轉換為單端電壓輸出的最佳選擇,因為變壓器不會增加噪聲,也不會消耗功率.盡管變壓器在高頻信號下表現(xiàn)良好,但它們無法處理許多儀表和醫(yī)療應用所需要的低頻信號.這些應用要求一個低功耗、低失真、低噪聲的高速放大器,以將互補電流轉換成單端電壓.此處展示的三個電路接受來自DAC的互補輸出電流,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行比較.

差分放大器: AD8129和AD8130差分轉單端放大器(圖15)用于第一個電路(圖16).它們在高頻下具有極高的共模抑制性能.AD8129在增益為10或以上時保持穩(wěn)定,而AD8130則在單位增益下保持穩(wěn)定.它們的用戶可調增益可以由, RF 和 RG.兩個電阻的比值來設置.AD8129和AD8130在引腳1和引腳8上具有很高的輸入阻抗,不受增益設置的影響.基準電壓 (VREF, 引腳4)可以用來設置偏置電壓,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的互補輸出電流之間的關系.端接電阻RT,執(zhí)行電流-電壓轉換;RF 與RG之比決定了增益. VREF 在方程2中被設為0.

展示的是電路的無雜散動態(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, 兩個電源電壓對應的不同值.此處選擇了AD8129,因為它提供較大的輸出信號,在G = 10時保持穩(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10MHz,在低電源電壓下,約有>3dB的改善.

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

方程3所示為VO 與DAC輸出電流之間的關系.失真數(shù)據(jù)通過與RT并聯(lián)的5pF電容進行測量

為了展示這個電路的性能,DAC與ADA4857 和 ADA4817 運算放大器配對,其中T = 125Ω (and CT = CF = 5 pF與RT 并聯(lián),以實現(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.作為眾多應用(包括超聲、ATE、有源濾波器、ADC驅動器等)的理想解決方案,其帶寬為850 MHz,壓擺率為2800 V/μs,0.1%建立時間為10ns——全部都是在5mA的靜態(tài)工作電流下實現(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算放大器.它們采用ADI公司的專有超快速互補雙極性(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驅動和DAC緩沖在內的各種應用.

比較了該電路在VO = 500mV p-p 時相對于一個采用變壓器的電路的失真和頻率之間的關系.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,可在有限范圍內實現(xiàn)接近90dB的SFDR,在高達10MHz時優(yōu)于70dB.