3種利用DAC、運(yùn)放和MOSFET晶體管構(gòu)建多功能高精度可編程電流源

電路功能與優(yōu)勢(shì)

數(shù)字控制電流源在許多應(yīng)用中至關(guān)重要，如電源管理、電磁閥控制、電機(jī)控制、阻抗測(cè)量、傳感器激勵(lì)和脈搏血氧儀等。本文介紹三種利用 DAC、運(yùn)算放大器和 MOSFET 晶體管構(gòu)建支持串行接口數(shù)字控制的電流源。

所選DAC為配有標(biāo)準(zhǔn)串行接口的高分辨率（14 或 16 位）、低功耗CMOS。16 位DAC和圖 2），AD5543提供超緊湊(3 mm × 4.7 mm)的 8 引腳MSOP和 8 引腳SOIC兩種封裝。14 位DAC AD5446提
供小型 10 引腳MSOP封裝。這兩款DAC均與大多數(shù)DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容，而且兼容SPI、QSPI和MICROWIRE。外部基準(zhǔn)電壓輸入允許輸出電平可以有許多變化，最高可達(dá) 10 V。器件組合實(shí)現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的小 PC 板面積、低成本、高分辨率特性。三種設(shè)計(jì)均提供低風(fēng)險(xiǎn)解決方案，并使用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)器件。

圖 1. 使用電流輸出 DAC 的電流源（未顯示去耦和所有連接）

電路描述

所有三個(gè)電路的DAC都需要 5 V單電源，運(yùn)算放大器需要±15V電源。一些電路可能需要一個(gè)精確的外部基準(zhǔn)電壓源。

各電路均有兩級(jí)。第一級(jí)是輸入級(jí)，由DAC和運(yùn)算放大器構(gòu)成。第二級(jí)是N溝道MOSFET晶體管輸出級(jí)（圖1和圖2)。它響應(yīng)發(fā)送至系統(tǒng)的數(shù)字字而提供電流。如圖 1所示，電路的輸入級(jí)由電流輸出DAC (AD5446)和運(yùn)算放大器(AD8510)構(gòu)成。它轉(zhuǎn)換命令字并驅(qū)動(dòng)晶體管，此外還調(diào)制施加于單電阻的電壓。命令字通過SPI接口發(fā)送。輸出級(jí)由N溝道MOSFET晶體管(NTE4153N)構(gòu)成，它可提供高于運(yùn)算放大器和單電阻輸出的電流。單電阻R1 在電壓施加于其引腳時(shí)產(chǎn)生電流。晶體管調(diào)節(jié)該電流。

圖 2. 使用電流輸出 DAC 的電流源，其中 DAC 連接為“反向”電壓模式（未顯示去耦和所有連接）

負(fù)載電流為：

其中D為載入DAC數(shù)字字的小數(shù)表示。不過，RDAC >> R1（RDAC標(biāo)稱值為 9 k?），因此負(fù)載電流可以近似表示為：

當(dāng)R1 = 100 ?且VIN = 5 V時(shí)，ILOAD可在 0 mA至 50 mA范圍內(nèi)進(jìn)行編程，分辨率為 3 μA（14 位時(shí)的 1 LSB）。輸出電源電壓約為 20 V，受MOSFET晶體管擊穿電壓的限制。ADR425是非常適用于本電路的 5 V低功耗精密基準(zhǔn)電壓源。圖 2 所示電路也使用AD5446 DAC。但是，此時(shí)該DAC在“反向”或電壓模式下工作，通過使用ADR512等 1.2 V基準(zhǔn)電壓源提供電壓輸出。

DAC輸出電壓在引腳 9 上提供，其范圍為 0 V至 1.2 V。有關(guān)“反向“電壓工作模式的更多信息，請(qǐng)參考AD5446數(shù)據(jù)手冊(cè)。該電路所用的運(yùn)算放大器為OP1177，它是一款高精度、失調(diào)電壓非常低（最大值 60 μV）的器件。當(dāng)DAC在電壓輸出模式工作時(shí)，低失調(diào)電壓非常重要。

N溝道 MOSFET晶體管與運(yùn)算放大器共同構(gòu)成高電流輸出跟隨器電路。

從晶體管源引腳到運(yùn)算放大器輸入的負(fù)反饋調(diào)節(jié)流經(jīng) R1 的電流值。

負(fù)載電流為：

當(dāng)R1 = 10 ?且VIN = 1.2 V時(shí)，ILOAD可在 0 mA至 120 mA范圍內(nèi)進(jìn)行編程，分辨率為 7 μA（14 位時(shí)的 1 LSB）。

圖 3. 基于 Howland 電流源的雙極性電流源（未顯示去耦和所有連接）

第三個(gè)電路如圖 3所示，它使用 16 位DAC AD5543作為輸入 級(jí)，并使用Howland電流泵電路作為輸出級(jí)。與MOSFET輸出相比，Howland電流泵有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：高輸出阻抗和提供雙極性輸出電流的能力。為了提高穩(wěn)定性，該電路一般是對(duì)稱的。因此，R1 = R1'，R2 = R2'，R3 = R3'。

當(dāng)R1 = 150 k?、R2 = 15 k?、R3 = 50 ?且VIN = 5 V時(shí)，ILOAD可在 0 mA至 20 mA范圍內(nèi)進(jìn)行編程，分辨率為 300 μA（16位時(shí)的 1 LSB），而且該電路具有非常高的輸出阻抗。

為了適當(dāng)分開DAC與運(yùn)算放大器并達(dá)到理想的性能，所有三個(gè)電路都必須采用出色的布局、接地和去耦技術(shù)。

常見變化

為了獲得更大或更小的電流輸出范圍，兩個(gè)電路均可以使用其它基準(zhǔn)電壓源（參見基準(zhǔn)電壓源選擇和評(píng)估向?qū)В?。?qǐng)注意，由于DAC架構(gòu)原因，正基準(zhǔn)電壓輸入將產(chǎn)生負(fù)輸出電流。雖然許多DAC都可以用來優(yōu)化設(shè)計(jì)的速度、精度等特性，但AD5543和AD5446之類的CMOS電流輸出DAC可提供更大的靈活性和低風(fēng)險(xiǎn)解決方案。

至于運(yùn)算放大器，如果設(shè)計(jì)的輸出信號(hào)范圍相對(duì)較小，則CMOS 放大器應(yīng)當(dāng)是合適的。如果需要高輸入阻抗，F(xiàn)ET 輸入運(yùn)算放大器是不錯(cuò)的選擇。無論何種情況，均需要精密放大器來保持 14 位至 16 位精度。