利用DAC、运算放大器和 MOSFET晶体管构建多功能高精度可编程电流源



电路功能与优势

数字控制电流源在许多应用中至关重要,如电源管理、电磁阀控制、电机控制、阻抗测量、传感器激励和脉搏血氧仪等。本文介绍三种利用 DAC、运算放大器和 MOSFET 晶体管构建支持串行接口数字控制的电流源。

所选DAC为配有标准串行接口的高分辨率(14 或 16 位)、低功耗CMOS。16 位DAC和图 2),AD5543提供超紧凑(3 mm × 4.7 mm)的 8 引脚MSOP和 8 引脚SOIC两种封装。14 位DAC AD5446提
供小型 10 引脚MSOP封装。这两款DAC均与大多数DSP接口标准兼容,而且兼容SPI、QSPI和MICROWIRE。外部基准电压输入允许输出电平可以有许多变化,最高可达 10 V。器件组合实现了业界领先的小 PC 板面积、低成本、高分辨率特性。三种设计均提供低风险解决方案,并使用业界标准器件。

图 1. 使用电流输出 DAC 的电流源(未显示去耦和所有连接)

电路描述

所有三个电路的DAC都需要 5 V单电源,运算放大器需要±15V电源。一些电路可能需要一个精确的外部基准电压源。

各电路均有两级。第一级是输入级,由DAC和运算放大器构成。第二级是N沟道MOSFET晶体管输出级(图1和图2)。它响应发送至系统的数字字而提供电流。如图 1所示,电路的输入级由电流输出DAC (AD5446)和运算放大器(AD8510)构成。它转换命令字并驱动晶体管,此外还调制施加于单电阻的电压。命令字通过SPI接口发送。输出级由N沟道MOSFET晶体管(NTE4153N)构成,它可提供高于运算放大器和单电阻输出的电流。单电阻R1 在电压施加于其引脚时产生电流。晶体管调节该电流。

图 2. 使用电流输出 DAC 的电流源,其中 DAC 连接为“反向”电压模式(未显示去耦和所有连接)

负载电流为:

其中D为载入DAC数字字的小数表示。不过,RDAC >> R1(RDAC标称值为 9 kΩ),因此负载电流可以近似表示为:

当R1 = 100 Ω且VIN = 5 V时,ILOAD可在 0 mA至 50 mA范围内进行编程,分辨率为 3 μA(14 位时的 1 LSB)。输出电源电压约为 20 V,受MOSFET晶体管击穿电压的限制。ADR425是非常适用于本电路的 5 V低功耗精密基准电压源。图 2 所示电路也使用AD5446 DAC。但是,此时该DAC在“反向”或电压模式下工作,通过使用ADR512等 1.2 V基准电压源提供电压输出。

DAC输出电压在引脚 9 上提供,其范围为 0 V至 1.2 V。有关“反向“电压工作模式的更多信息,请参考AD5446数据手册。该电路所用的运算放大器为OP1177,它是一款高精度、失调电压非常低(最大值 60 μV)的器件。当DAC在电压输出模式工作时,低失调电压非常重要。

N沟道 MOSFET晶体管与运算放大器共同构成高电流输出跟随器电路。

从晶体管源引脚到运算放大器输入的负反馈调节流经 R1 的电流值。

负载电流为:

当R1 = 10 Ω且VIN = 1.2 V时,ILOAD可在 0 mA至 120 mA范围内进行编程,分辨率为 7 μA(14 位时的 1 LSB)。

基于 Howland 电流源的双极性电流源(未显示去耦和所有连接)

图 3. 基于 Howland 电流源的双极性电流源(未显示去耦和所有连接)

第三个电路如图 3所示,它使用 16 位DAC AD5543作为输入 级,并使用Howland电流泵电路作为输出级。与MOSFET输出相比,Howland电流泵有两个优势:高输出阻抗和提供双极性输出电流的能力。为了提高稳定性,该电路一般是对称的。因此,R1 = R1',R2 = R2',R3 = R3'。

当R1 = 150 kΩ、R2 = 15 kΩ、R3 = 50 Ω且VIN = 5 V时,ILOAD可在 0 mA至 20 mA范围内进行编程,分辨率为 300 μA(16位时的 1 LSB),而且该电路具有非常高的输出阻抗。

为了适当分开DAC与运算放大器并达到理想的性能,所有三个电路都必须采用出色的布局、接地和去耦技术。

常见变化

为了获得更大或更小的电流输出范围,两个电路均可以使用其它基准电压源(参见基准电压源选择和评估向导)。请注意,由于DAC架构原因,正基准电压输入将产生负输出电流。虽然许多DAC都可以用来优化设计的速度、精度等特性,但AD5543和AD5446之类的CMOS电流输出DAC可提供更大的灵活性和低风险解决方案。

至于运算放大器,如果设计的输出信号范围相对较小,则CMOS 放大器应当是合适的。如果需要高输入阻抗,FET 输入运算放大器是不错的选择。无论何种情况,均需要精密放大器来保持 14 位至 16 位精度。

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