随着電子産品的普及，人們希望将數字系統與模拟世界連接配接起來以實作變化，因而對數模轉換器 (DAC) 的需求也日益增長。雖然設計人員很熟悉傳統的電壓輸出 DAC，但是許多應用卻需要使用電流輸出 DAC，以提供精确、穩定的高分辨率電流（數十或數百毫安）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、更精确。不過，電流輸出 DAC 并非電壓輸出 DAC 的簡單“直接”替代品。
本文簡要說明為什麼電流輸出 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，着重介紹了電流輸出 DAC 的有效使用方法。
DAC 對比 ADC
DAC 是模數轉換器 (ADC) 的功能補充，但兩者面臨的挑戰卻截然不同。ADC 的主要作用是在存在外部和内部噪聲的情況下，将未知的随機輸入信号連續數字化，并将結果傳輸到相容的處理器。不同于 ADC，DAC 的輸入是來自處理器的穩定且有界的數字信号，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，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 來精确控制電流。這些應用包括揚聲器線圈、螺線管和電機；開環和閉環工業系統、科學系統和光學系統中與控制相關的設定；基本電阻加熱器或精密可調諧雷射器；自動測試裝置 (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）。
圖 1：電流輸出 DAC 适合于光放大器節點等應用，可控制光放大器、可調諧雷射器和溫度恒定的雷射加熱器，本圖以 LT2662 多通道 DAC 為例。
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複雜，并且通常呈非線性。是以，對于這類傳感器而言，使用電流源更有效、更精确。
設計人員往往不太熟悉如何使用電流輸出 DAC 産生精密電流輸出。一種将傳統的電壓輸出 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）。
圖 2：使用運算放大器（左）或帶 MOSFET 升壓輸出的運算放大器（右），可将電壓源轉換為電流源，但是相較于實際采用電流輸出 DAC 的設計，可能相對難以實作，或在技術上差強人意。
然而，采用這種方法需要在材料清單 (BOM) 和印刷電路闆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格的有源元器件以及無源元器件，是以整個輸出範圍和溫度範圍内的數字輸入 / 電流輸出傳遞函數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 通常不用于信号處理 / 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。是以，這類 DAC 的分辨率範圍為 12 位至 16 位，更新速率為每秒數十或數百千次采樣。
不過，選擇或使用電流輸出 DAC 時，使用者必須注意并解決使用電壓輸出 DAC 時可能不存在的一些關鍵問題：
順從電壓和壓差
電流驅動範圍和分辨率（增強這兩種特性）
上電複位 (POR) 和輸出毛刺等瞬态條件
DAC 資料和輸出完整性；精度
散熱
下面将以 AD5770R 和 LTC2662 為例，詳細探讨這些設計問題。
1. 順從電壓和壓差
除了 DAC 正常線性度和精度規格外，電流輸出 DAC 還有兩個參數是電壓輸出 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——一種基本卻十分關鍵的情形。隻要負載兩端的電壓在設計限制範圍内，電流源就可以驅動負載；要想使用電流源輸出的電流驅動負載，就必然會在負載兩端施加所需電壓。電流源可調節輸出電壓，為負載提供所需的電流。
例如，以 10mA 電流驅動 1kΩ負載需要至少 10V 的順從電壓。如果該電壓降超過順從電壓，則 DAC 将無法輸出該電流。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标稱電源電壓。
假設用 DAC（或任何電流源）驅動串聯的 10 個 LED，每個 LED 上的電壓降為 1.5V，電流為 20mA。如果電流源不能在 15V 直流電壓（加上部分裕量）下輸出 20mA 電流，就無法輸出該電流，即使在較低電壓下可以輕松實作也無濟于事。對于電流輸出 DAC 而言，順從電壓越接近 DAC 輸出級電源軌，DAC 輸出範圍越大。
為什麼要讨論順從電壓？盡管這是電流源的基本特性（根據 V=IR），但是某些資曆尚淺的工程師隻處理過電壓源，因而經常忽略這一問題。畢竟，若工程師聽說需要 12V 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，相應問題應該是“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比對，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節。壓差是負載電流的函數；壓差越小，DAC 的工作範圍越寬。5 通道 LTC2662 的電流輸出具有高順從電壓，輸出 200mA 電流時可保證 1V 壓差（圖 3）。
圖 3：在整個電流輸出範圍内，LTC2662 的壓差都低于 1V，確定所有輸出電流值時都有足夠的工作裕量。
2. 電流驅動範圍和分辨率（增強這兩種特性）
電流輸出 DAC 的輸出驅動能力可達數百毫安。請注意，電流輸出 DAC 通常設計為拉出電流，而非灌入電流；但是如果需要灌入電流，也有相應的通道可供使用（隻是必須遵守附加限制）。
多通道多輸出範圍 DAC 具有兩個屬性：為了輸出更高的總電流，允許将輸出疊加；可實作各通道分辨率與應用的最佳比對。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 的部分動态範圍而造成浪費。這相當于在 ADC 輸入端使用可程式設計增益放大器 (PGA)，調節輸入信号以适應 ADC 的輸入範圍。若使用輸出範圍為 100mA 的 14 位電流輸出 DAC 用于 0 至 25mA 的驅動範圍，隻能提供 12 位有效分辨率，浪費了 2 位。
是以，AD5770R 和 LTC2662 的多路輸出提供了不同的輸出範圍。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接口 (SPI)，以及許多其他特性和功能。
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
這種配置具有多種驅動優勢，可用于多種用途：
為增加最大驅動電流提供便捷的解決方案
最大輸出範圍較小但分辨率相同，因而步長雖較小，但輸出的電流更精确
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。例如，AD5770R 的通道 1 (250mA) 和通道 2 (150mA) 疊加，可以提供 400mA 的總驅動（圖 5）。當然，設計人員不能忽視以下警告：順從電壓必須在規格書規定的範圍内；輸出電壓必須保持在規格書規定的最大絕對額定值範圍内。
圖 5：這些 DAC 的輸出可以并聯組合，是以可輕易提供大電流；本圖中，250mA 電流源和 150mA 電流源可提供 400mA 可完全輕松控制的電流。
同樣，5 通道 LTC2662 具有八個電流範圍，各通道均可程式設計，滿量程輸出達 300mA、20 mA、100mA、50mA、25mA、12.5mA、6.25mA 和 3.125mA；這些電流均可組合，最大輸出電流可達 1.5A。
借助低分辨率和高分辨率設定（上述第三點，即最後一點），并行輸出還能提供一種簡便方法來提高所需标稱輸出值的整體分辨率。将一路寬範圍輸出與另一路小範圍輸出并聯，前者可設為低分辨率，而後者設為高分辨率，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. 上電複位 (POR) 和輸出毛刺等瞬态條件
許多應用中，上電時的 DAC 輸出（稱為上電複位，POR）是個難題，因為處理器（及其軟體）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緻不可接受的 DAC 輸出——例如，使用 DAC 控制活動元件的情況。是以，了解 POR 時 DAC 通道的狀态就顯得尤為重要。基于上述原因，LTC2662 的輸出在上電時複位為高阻态，使系統初始化保持一緻且可重複。AD5770R 具有異步複位引腳，可由硬體定時器或複位鎖定驅動；将引腳置為邏輯低電平 10ns 以上，即可将所有寄存器複位為預設值。
此外，輸出轉換時的毛刺可能也是個難題。每當 DAC 加載新代碼模式的資料位時，由于兩種代碼間存在時鐘偏移，因而在新舊代碼轉換過程中，DAC 會産生錯誤輸出；與 POR 一樣，這可能也不可接受。為避免這種情況，LT2662 和 AD5770 将 DAC 加載的緩沖資料增加一倍。單個或多個通道的所有資料位均可寫入相應的輸入寄存器，而不會影響 DAC 輸出。向器件發出“加載 DAC”的單一指令，即可将輸入寄存器内容發送到 DAC 寄存器，更新 DAC 輸出而不會出現毛刺。
4.DAC 資料和輸出完整性；精度
這類 DAC 所适用的應用大多具有活動元件和機械元件，是以或許有必要驗證 DAC 的性能。這就需要注意 DAC 的數字輸入及實際電流輸出值。
針對完整性問題，AD5770R 和 LTC2662 等進階 DAC 可提供多種解決方案：資料回讀、基于内部循環備援校驗 (CRC) 的資料完整性确認以及間接輸出電流測量。前兩種用于發送到并存儲于 DAC 的資料确認；第三種用于監視 DAC 産生的電流。
由于軟體必須啟動回讀并将其值與原始發送值進行比較，是以基本資料回讀需要處理器操作，并會産生 CPU 負載。但是，AD5770R 的内置 CRC 功能并不會造成負擔。AD5770R 對片上資料寄存器定期執行背景 CRC 操作，确儲存儲器位不會損壞。如果确定存在資料錯誤，就會在狀态寄存器中設定報警标志位。
確定 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，允許使用者通過多路電壓來監控所對應的這些參數。使用者可以選擇多路複用器輸出對應的電壓，進而使用外部 ADC 進行測量。對于 AD5770R 而言，電流監控可精确到滿量程輸出範圍 10%以内，足以确定過失誤差和故障。如果設計人員需要輸出監控精度更高，則可以校準讀數。
DAC 輸出的絕對精度很大程度上取決于基準電壓源和一些内部精密電阻的性能。AD5770R 包括 1.25V 基準電壓源，最大溫度系數為 15 ppm/℃；LTC2662 的 1.25V 基準電壓源則為 10ppm/℃。借助這些 DAC 中精密基準電壓源的性能，設計人員可以更輕松地實作整個系統的精度目标，因為這些基準電壓源也可供外部使用（增加外部緩沖即可）。
規格值分别為 10ppm/℃和 15ppm/℃的内部基準電壓源可能完全足以應付多數情況。但是，考慮到這些 DAC 寬泛的工作溫度範圍（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緻偏移過大。
這兩款 DAC 均提供了解決方案：可使用外部基準電壓源，并為該基準源提供内部緩沖器。如果需要的溫度系數較小，也可以選擇低漂移基準電壓源，如 LTC6655（溫度系數為 2ppm/℃）。使用這種高性能外部基準電壓源并非易事：需要格外注意電路闆布局、機械應力、生産焊接溫度曲線及其他易于損害特定性能的細節。
5. 散熱
務必謹記這些 DAC 均以受控電流的形式為負載供電。是以，IC 耗散和自熱都是必須分析的問題，確定不會超過内部晶片的最大允許溫度。在多數情況下，需要通過印刷電路闆來散熱，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、平均電流及其相關耗散。然後對 IC 到電路闆的路徑和電路闆的散熱能力進行熱模組化（例如層數、可用銅面積以及使用相同散熱區域的其他元件）。AD5770R（使用 2.9V 至 5.5V 單電源供電）規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境溫度下的功耗。設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 2.85V 至 33V 的獨立電源供電，進而針對各種負載調節各通道的耗散功率和順從電流裕量。
綜合應用
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，可用于控制範圍設定、資料加載、回讀和标志位等基本功能。除了 SPI 總線和 DAC 輸出所需的實體連接配接外，還具有許多其他選項。
基于上述原因，使用評估闆（例如适用于 LTC2662 及相關軟體的 DC2629A-A）可以節省時間并最大限度地減少煩惱，同時還可以在實際應用場景中簡化 DAC 的性能評估（圖 6）。
圖 6：示範電路和評估闆（例如适用于 LTC2662 電流源 DAC 的 DC2629A-A）簡化了連接配接，允許随時使用多通道電流輸出 DAC 的衆多功能和特性。
該評估闆專為 16 位 LTC2662 設計，簡化了與 DAC 的連接配接，并且可以評估外部基準電壓源的使用等可選特性。該示範電路通過 USB 電纜連接配接使用者的計算機。
随附軟體的 GUI 控制台可用于執行 DAC，輕松使用所有特性和功能（圖 7）。
圖 7：通過 USB 連接配接計算機，評估軟體和 GUI 可用于設定和執行 LTC2662 DAC 的多數寄存器和選項——這是設計工作中不可或缺的一個過程。
總結
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，可提供衆多功能和使用者設定，使設計人員能夠在目标應用中優化其适配性和性能。使用者若能了解這類 DAC 及其特性，必能受益于其功能和特性。