使用電流 DAC 驅動致動器並控制封閉迴路的原因及方法

電子產品日漸普及，為適應這種變化，人們越來越需要數位類比轉換器 (DAC) 來連接數位系統與類比世界。儘管設計人員很熟悉傳統的電壓輸出型 DAC，但許多應用需要使用電流輸出型 DAC，來提供數十或數百毫安精確、穩定的高解析度電流，以控制低阻抗的電阻式、電感式及電抗式負載。

雖然此類負載可由電壓驅動，但是若為這些傳感器使用電流源 (即驅動器)，則會更有效率且更精確。不過，電流輸出型 DAC 並不能簡單「直接」地替代電壓輸出型 DAC。

本文將簡要說明為何電流輸出型 DAC 是一個出色且通常必不可少的解決方案。然後重點介紹如何透過 Analog Devices 的兩個 IC，即六通道的 14 位元 AD5770R 與五通道的 16/12 位元 LTC2662 來有效使用電流輸出型 DAC。

DAC 與 ADC 的比較

DAC 補足類比數位轉換器 (ADC) 的功能，但兩者面臨截然不同的挑戰。ADC 的目標是：在有外部和內部雜訊的情況下，連續對未知的隨機輸入訊號進行數位化，並將結果傳送到相容的處理器。相較於 ADC，DAC 的輸入是來自處理器具有規則及限制的數位模式，沒有訊噪比 (SNR) 問題；而 DAC 的輸出在驅動外部負載上，會遇到難以透過電氣技術解決的挑戰。

電流輸出型與電壓輸出型 DAC 的比較

某些傳感器與控制迴路需要 DAC 提供經過精確控制的電流。此類應用包括揚聲器線圈、螺線管與馬達；在開放與閉合迴路的工業、科學與光學系統中，與控制相關的環境；基本電阻式加熱器或精密可調諧雷射；自動測試設備 (ATE) 探針刺激；電池充電用高精密電流；以及可調光 LED (圖 1)。

圖 1：電流輸出型 DAC 適合用於光學放大器節點等應用，能控制光學放大器、可調諧雷射，以及溫度穩定的雷射加熱器，如此處的 LT2662 多通道 DAC 所示。(圖片來源：Analog Devices)

這些應用往往都是低阻抗負載、電感式負載及磁性負載。雖然這些負載可由電壓驅動，但是電壓與末端效應之間的關係將非常複雜，而且通常是非線性的。因此，對這些類型的傳感器使用電流源會更有效率，也更精確。

一般來說，設計人員都不太熟悉如何使用電流輸出型 DAC，來產生明確的輸出。將傳統電壓輸出型 DAC 轉換為電流輸出型裝置的方法之一，就是添加一個輸出運算放大器，並將其配置成電壓轉電流 (V/I) 轉換器 (圖 2)。

圖 2：運算放大器 (左) 或含 MOSFET 輸出升壓的運算放大器 (右)，都可用來將電壓輸出源轉換為電流輸出，但是與以真正電流源 DAC 為主的設計相比，其實作起來可能沒那麼容易，在技術上可能也沒那麼充足。(圖片來源：Analog Devices)

然而，這樣做會使物料清單 (BOM) 與 PC 板增加更多主動與被動元件，運算放大器也必須具有出色的電流流出／流入能力。否則，就要用 MOSFET 進行升壓。此外，由於存在更多具有獨立規格的主動元件及被動元件，因此在整個輸出與溫度範圍內計算出數位輸出／電流輸出傳輸函數的誤差預算將變得更加困難。

解決問題

無論是電流還是電壓輸出型元件，大多數的 DAC 最初往往都是由其解析度和更新速度定義的。一般來說，電流輸出型 DAC 不會用於處理／分析訊號或產生波形。此外，鑑於機電或熱學特性，其典型負載的變化通常相對較慢。因此，這些 DAC 的解析度都是介於 12 和 16 位元之間，更新率則是數十或數百 KS/s。

儘管如此，在選擇或使用電流輸出型 DAC 時，使用者務必要注意並解決可能在電壓輸出型 DAC 中不存在的一些關鍵問題：

1. 順應電壓與壓降電壓
2. 電流驅動範圍與解析度 (以及增加兩者)
3. 開機重置 (POR) 與輸出突波等暫態狀況
4. DAC 資料與輸出完整性；準確度
5. 散熱

讓我們以 AD5770R 和 LTC2662 為例，詳細探討這些設計問題。

1.順應電壓與壓降電壓

除了常見的 DAC 線性與準確度規格，電流輸出型 DAC 還有兩個參數是電壓輸出型 DAC 所不具備的，即順應電壓與壓降電壓。

順應電壓是電流源嘗試產生所需電流時，所達到的最大電壓，這是一種基本卻很關鍵的狀況。只要負載兩端的電壓在設計限值內，電流源就能供應負載所需的電流；在未施加所需電壓 (即負載兩端產生的電壓) 的情況下，電流源無法將電流驅動到負載中。電流源會調整輸出電壓以提供負載想要的電流量。

舉例來說，向 1 kΩ 的負載供應 10 mA 電流，至少需要 10 V 的順應電壓。假如這個壓降超出順應電壓，DAC 將無法供應電流。這種情況就類似於，在負載消耗的電流增加且超出供應的電流額定值時，電壓源無法提供其標稱的供應電壓。

設想一下，某個 DAC (或任何電流源) 驅動 10 個串連的 LED，每個 LED 在 20 mA 電流下都有 1.5 V 的壓降。如果電流源無法以 15 V DC (加上一些餘裕) 提供這 20 mA 的電流，則將無法供應此電流，即使其能在較低電壓下輕鬆實現。對於電流輸出型 DAC 來說，若順應電壓接近 DAC 輸出級電軌，可最大程度增加 DAC 範圍。

為何要討論順應電壓？儘管具有從 V = IR 衍生出的基本特性，但這個領域經常被僅熟悉電壓源的新手工程師所忽略。畢竟，在要求工程師提供 12 V 的供應電壓後，他們提出的第一個問題會是「需要多少電流呢？」。然而，他們卻常常忘了問與電流源相對應的問題：「順應電壓是多少？」。

電流輸出型 DAC 的順應電壓不受 DAC 本身的電軌限制。舉例來說，在多通道的 LTC2662 元件中，每個通道都有自己的供應引腳，可以讓各通道的順應電壓符合負載的需求，同時最大限度降低整體的功率耗散。

此外，電流輸出型 DAC 具有壓降電壓限制。這是在整個 DAC 中維持輸出調節所需的最小壓降。其取決於負載電流；壓降電壓越低，DAC 可以工作的範圍就越寬。五通道的 LTC2662 電流源輸出具有高順應電壓，可保證在 200 mA 下壓降為 1 V (圖 3)。

圖 3：LTC2662 的壓降電壓在整個供電範圍內低於 1 V，可確保所有流出的電流值都有足夠的工作餘裕。(圖片來源：Analog Devices)

2.電流驅動範圍與解析度 (以及增加兩者)

電流輸出型 DAC 可提供高達數百毫安的輸出驅動能力。請注意，電流輸出型 DAC 一般是用於電流流出用途，而不是電流流入用途；不過，如果需要電流流入，也有通道能實現此功能 (但必須遵守其他相關限制)。

多通道多範圍 DAC 提供兩個屬性：一個是允許加總輸出取得更高的整體電流；一個是讓每個通道的解析度與應用達到最佳匹配。藉助這種方式，有效解析度將可實現最大化，而不會因為僅使用部份 DAC 動態範圍而白白浪費掉。這就類似於在 ADC 的輸入端使用可編程增益放大器 (PGA)，將輸入訊號調至 ADC 的輸入範圍。若使用 14 位元、100 mA 範圍的輸出型 DAC 驅動 0 至 25 mA 的電流，則只能提供 12 位元的有效解析度，而白白浪費掉 2 個位元。

因此，AD5770R 和 LTC2662 為其多個輸出提供不同的範圍。例如，AD5770R 包含五個 14 位元電流源通道與一個 14 位元流出／流入通道 (圖 4)。

圖 4：Analog Devices 的 AD5770R 是一款六通道的 14 位元電流輸出型 DAC，具有晶片上參考與序列週邊裝置介面 (SPI)，以及其他許多特色與功能。(圖片來源：Analog Devices)

通道配置如下：

通道 0：0 mA 至 300 mA、−60 mA 至 +300 mA、−60 mA 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

這種配置可提供多個驅動優勢，服務於多種用途：

• 可為增加最大驅動電流提供簡單的解決方案
• 使用較小但具有相同解析度的最大輸出範圍，可得到更小且更精確的 mA/步長值
• 允許合併輸出，獲得粗略／精細解析度

就第一點而言，只須將這些電流源並聯即可。例如，可將 AD5770R 的通道 1 (250 mA) 和通道 2 (150 mA) 加總，提供 400 mA 的總驅動值 (圖 5)。當然，設計人員必須謹記一些注意事項，即順應電壓必須在規格書規定的範圍內，輸出電壓必須保持在規格書規定的最大絕對額定值範圍內。

圖 5：使用這些 DAC 提供更高電流非常容易，其原因在於 DAC 的輸出可以並聯；在本例中，250 mA 電流源和 150 mA 電流源提供高達 400 mA 且可完全輕鬆控制的電流。(圖片來源：Analog Devices)

同樣地，五通道的 LTC2662 有八個電流範圍，每通道皆可編程，滿量程輸出高達 300 mA、200 mA、100 mA、50 mA、25 mA、12.5 mA、6.25 mA 和 3.125 mA；這些電流全都可以進行合併，最大電流可達 1.5 A。

透過使用粗略和精細設定 (上述清單的第三點，即最後一點)，並聯輸出還提供一種簡單的方法，來提高所需標稱輸出值的整體解析度。若將一個寬範圍輸出與另一個較小範圍輸出並聯使用，前者的通道可用作粗略設定，而後者的通道可用作精細設定，提供的解析度即可超過每個通道的 12/16 位元額定值 (代價則是使用五個通道中的兩個通道)。

3.開機重置 (POR) 與輸出突波等暫態狀況

在許多應用中，電源開啟時的 DAC 輸出 (稱為開機重置，即 POR) 是一個問題，其原因在於處理器 (及其軟體) 無法立即初始化 DAC。即便處理器程式碼會優先處理 DAC 的初始化，但具有多個 DC 電軌的處理器，會比簡易型 DAC 需要更長的啟動時間。

這種處理器／DAC 啟動時差，可能會在某些條件下產生不可接受的 DAC 輸出。例如，當 DAC 正在控制移動元件時。因此，對 DAC 通道來說，在 POR 時具有已知狀態非常重要。出於這個原因，LTC2662 的輸出會在電源開啟時重置成高阻抗狀態，以確保系統初始化保持一致且可重複執行。AD5770R 具有非同步的 RESET (重置) 引腳，可由硬體計時器或重設鎖定進行驅動；若將引腳確立為邏輯低位準至少 10 ns，則會將所有暫存器重置為其預設值。

輸出轉換突波也可能是一個問題。當載入 DAC 的新程式碼模式的新位元，相互之間存在時序偏差時，DAC 會在新舊設定的轉換期間提供錯誤的輸出；與 POR 一樣，這可能是不可接受的。為避免此情況，LT2662 和 AD5770 會將雙倍的緩衝資料載入 DAC 中。一個或多個通道的所有資料位元均可寫入相應的輸入暫存器，而無需更改 DAC 輸出。然後向元件發出一個「load DAC」命令，將輸入暫存器的內容傳輸至 DAC 暫存器中，這樣便可更新 DAC 輸出而不會出現突波。

4.DAC 資料與輸出完整性；準確度

這些 DAC 很多都是用於具有移動及機械元件的應用，因此可能需要驗證 DAC 的效能。這就要求關注 DAC 的數位內容，及其實際的電流輸出值。

進階 DAC (如 AD5770R 和 LTC2662) 針對完整性問題提供多種解決方案，包括資料回讀、以內部循環冗餘檢查 (CRC) 為基礎的資料完整性確認，以及間接輸出電流測量等。前兩項會確認發送至 DAC 並進行儲存的資料；第三項則監控 DAC 產生的電流。

對於基本資料回讀，由於軟體必須啟動回讀，並將其值與原始發送值進行比較，因此處理器需要採取動作，故而會產生一些 CPU 負載。但是，AD5770R 內建的 CRC 功能不會增加負擔。AD5770R 會定期在背景中對其晶片上的資料暫存器執行 CRC 檢查，以確保記憶體位元沒有破壞。若確定存在資料錯誤，則會在狀態暫存器中設置警報標示位元。

確保 DAC 效能可信度的最終測試是，測量 DAC 的輸出電流及順應電壓值。AD5770R 和 LTC2662 都有診斷功能，可讓使用者透過代表其值的多工電壓來監控這些參數。使用者可以選擇多工器輸出對應的電壓，以使用外部 ADC 進行測量。就 AD5770R 而言，此電流監控可精確到滿量程輸出範圍的 10％ 以內，足以查出嚴重的錯誤和故障。如果設計人員需要更高的輸出監控準確度，則可以校準讀數。

DAC 輸出的絕對準確度在很大程度上取決於參考電壓的效能，以及一些內部精密電阻。AD5770R 包含一個 1.25 V 參考電壓，最高溫度係數 (即「tempco」) 為 15 ppm/°C；而對於 LTC2662，1.25 V 參考電壓的溫度係為 10 ppm/°C。設計人員可利用這些 DAC 中精密參考源的效能，來簡化實現整個系統準確度目標的方式，因為這些參考也可供外部使用 (增加了外部緩衝)。

在大多數情況下，規格值分別為 10 ppm/°C 和 15 ppm/°C 的內部參考可能就綽綽有餘。但考量到這些 DAC 工作溫度範圍相當寬 (AD5770R 為 -40°C 至 + 105°C；LTC2662 為 -40°C 至 125°C)，所以在某些情況下，參考電壓可能會因溫度導致偏移過大。

這兩種 DAC 都提供了解決方案，即使用外部參考並為該參考提供內部緩衝器。如果需要較小的溫度係數，則可選擇低漂移參考源，如 LTC6655 (溫度係數為 2 ppm/°C)。使用這類高效能的外部參考並非易事：需要特別注意電路板佈局、機械應力、生產焊接溫度曲線，以及其他可能輕易影響指定效能的細節。

5.散熱

請務必謹記，這些 DAC 將以受控電流的形式給負載供電。因此，必須要對 IC 耗散和自體發熱問題進行分析，確保不會超出 DAC 內部晶粒的最大允許溫度。在大多數情況下，需要使用 IC 焊球作為熱導管，透過 PC 板進行散熱。

熱分析首先會分析每個通道的峰值、平均電流傳輸量以及相關耗散；接著會建立模型，模擬 IC 到電路板的路徑以及電路板的散熱能力 (即層數、可用銅面積，以及其他使用相同散熱片面積的元件)。AD5770R (由 2.9 V 至 5.5 V 的單一供應電源驅動) 的規格書提供一個計算範例，顯示當由多個輸出提供指定電流時，在一個環境溫度下會耗散多少功率；設計人員可將此作為指南，針對具體情況進行初步分析。

為了限制不必要的耗散，LTC2662 為每個輸出通道提供單獨的供應引腳。 每個通道可由 2.85 V 至 33 V 的電源獨立供電，以針對各種負載調節每個通道的功率耗散以及順應輸出餘裕。

整合所有項目

雖然多通道電流輸出型 DAC (如 AD5770R 和 LTC2662 等) 的概念很簡單，但都有大量的暫存器用來控制基本的功能，如範圍設定、資料載入、回讀以及標示位元等。除了 SPI 匯流排和 DAC 輸出所需的實體連接之外，這些 DAC 還需建立許多其他實體連接。

有鑑於此，評估板 (例如適用於 LTC2662 和相關軟體的 DC2629A-A) 不僅能節省時間、將使用難度降至最低，還能在實際情境下輕鬆評估 DAC 的效能 (圖 6)。

圖 6：展示電路和評估板 (例如適用於 LTC2662 電流源 DAC 的 DC2629A-A) 可簡化連接，並允許隨時存取多通道電流輸出型 DAC 的多個功能和特性。(圖片來源：Analog Devices)

此評估板專為 16 位元的 LTC2662 設計，可簡化與 DAC 的連接，並評估選配功能 (如使用外部參考電壓)。該展示電路透過 USB 纜線連接到使用者的電腦。

隨附的軟體提供 GUI 控制面板，可用於執行 DAC 並輕鬆使用所有的特性和功能 (圖 7)。

圖 7：透過 USB 纜線連接電腦並安裝評估軟體和 GUI 後，即可設定並執行 LTC2662 DAC 的多個暫存器和選項，這是導入設計不可或缺的程序。(圖片來源：Analog Devices)

結論

儘管電流輸出型 DAC 並不像電壓輸出型 DAC 那樣廣為人知，但是它們對於許多實際應用和負載來說是不可或缺的。這些 DAC，特別是輸出電流較高的多通道元件 (如 Analog Devices 的 AD5770R 和 LTC2662)，可提供許多功能和使用者設定，讓設計人員能夠在目標應用中，對其適用性和效能進行最佳化。只需瞭解這些 DAC 及相關特性，使用者即可從其能力和功能中獲益。