電路功能與優勢

數字控制電流源在許多應用中至關重要，如電源管理、電磁閥控制、電機控制、阻抗測量、傳感器激勵和脈搏血氧儀等。本文介紹三種利用 DAC、運算放大器和 MOSFET 晶體管構建支持串行接口數字控制的電流源。

所選DAC為配有標準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DSP接口標準兼容，而且兼容SPI、QSPI和MICROWIRE。外部基準電壓輸入允許輸出電平可以有許多變化，最高可達 10 V。器件組合實現了業界領先的小 PC 板面積、低成本、高分辨率特性。三種設計均提供低風險解決方案，并使用業界標準器件。

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

所有三個電路的DAC都需要 5 V單電源，運算放大器需要±15V電源。一些電路可能需要一個精確的外部基準電壓源。

各電路均有兩級。第一級是輸入級，由DAC和運算放大器構成。第二級是N溝道MOSFET晶體管輸出級（圖1和圖2)。它響應發送至系統的數字字而提供電流。如圖 1所示，電路的輸入級由電流輸出DAC (AD5446)和運算放大器(AD8510)構成。它轉換命令字并驅動晶體管，此外還調制施加于單電阻的電壓。命令字通過SPI接口發送。輸出級由N溝道MOSFET晶體管(NTE4153N)構成，它可提供高于運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產生電流。晶體管調節該電流。

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）

負載電流為：

其中D為載入DAC數字字的小數表示。不過，RDAC >> R1（RDAC標稱值為 9 k?），因此負載電流可以近似表示為：

當R1 = 100 ?且VIN = 5 V時，ILOAD可在 0 mA至 50 mA范圍內進行編程，分辨率為 3 μA（14 位時的 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低功耗精密基準電壓源。圖 2 所示電路也使用AD5446 DAC。但是，此時該DAC在“反向”或電壓模式下工作，通過使用ADR512等 1.2 V基準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“反向“電壓工作模式的更多信息，請參考AD5446數據手冊。該電路所用的運算放大器為OP1177，它是一款高精度、失調電壓非常低（最大值 60 μV）的器件。當DAC在電壓輸出模式工作時，低失調電壓非常重要。

N溝道 MOSFET晶體管與運算放大器共同構成高電流輸出跟隨器電路。

從晶體管源引腳到運算放大器輸入的負反饋調節流經 R1 的電流值。

負載電流為：

當R1 = 10 ?且VIN = 1.2 V時，ILOAD可在 0 mA至 120 mA范圍內進行編程，分辨率為 7 μA（14 位時的 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電流泵有兩個優勢：高輸出阻抗和提供雙極性輸出電流的能力。為了提高穩定性，該電路一般是對稱的。因此，R1 = R1'，R2 = R2'，R3 = R3'。

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

為了適當分開DAC與運算放大器并達到理想的性能，所有三個電路都必須采用出色的布局、接地和去耦技術。

常見變化

為了獲得更大或更小的電流輸出范圍，兩個電路均可以使用其它基準電壓源（參見基準電壓源選擇和評估向導）。請注意，由于DAC架構原因，正基準電壓輸入將產生負輸出電流。雖然許多DAC都可以用來優化設計的速度、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險解決方案。

至于運算放大器，如果設計的輸出信號范圍相對較小，則CMOS 放大器應當是合適的。如果需要高輸入阻抗，FET 輸入運算放大器是不錯的選擇。無論何種情況，均需要精密放大器來保持 14 位至 16 位精度。