利用DAC、運(yùn)算放大器和 MOSFET 晶體管 構(gòu)建多功能高精度可編程電流源
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電路功能與優(yōu)勢
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DACAD5543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。
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±15 V電源。一些電路可能需要一個(gè)精確的外部基準(zhǔn)電壓源（參見教程MT-087）。
各電路均有兩級。第一級是輸入級，由DAC和運(yùn)算放大器構(gòu)成。第二級是N溝道MOSFET晶體管輸出級（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。
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 kΩ) ，因此負(fù)載電流可以近似表示為：
當(dāng)R1 = 100 Ω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，請參考AD5446 數(shù)據(jù)手冊。
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 Ω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）。
第三個(gè)電路如圖3所示，它使用16位DAC AD5543作為輸入級，并使用Howland電流泵電路作為輸出級。與MOSFET輸出相比，Howland電流泵有兩個(gè)優(yōu)勢：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，該電路一般是對稱的。因此，R1 = R1'，R2 = R2'，R3 = R3'。
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）
當(dāng)R1 = 150 kΩ、R2 = 15 kΩ、R3 = 50 Ω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)。（請參考教程MT-031和MT-101 ）。
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)電壓源選擇和評估向?qū)В?。請注意，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)的輸出信號范圍相對較小，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。
[附件:利用DAC、運(yùn)算放大器和MOSFET晶體管構(gòu)建多功能高精度可編程電流源]
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