Универсальные программируемые прецизионные источники тока на основе ЦАП, ОУ и MOSFET

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2014

Analog Devices

Circuit Note CN-0151

Функции и преимущества схем

Источники тока с цифровым управлением необходимы во многих приложениях, таких, как регулирование мощности, управление соленоидами, измерение импедансов, возбуждение датчиков и пульсоксиметрия. Ниже мы опишем три схемы источников тока с цифровым управлением по последовательному интерфейсу, в которых используются ЦАП, операционные усилители (ОУ) и MOSFET.

Выбранные ЦАП имеют высокое разрешение (14 или 16 бит), характерное для КМОП схем низкое потребление мощности и стандартные последовательные интерфейсы. 16-битный ЦАП AD5543 упаковывается в сверхкомпактный 8-выводной корпус MSOP размером 3 × 4.7 мм или в 8-выводной корпус SOIC. 14-битный ЦАП AD5446 выпускается в 10-выводном корпусе MSOP. Оба ЦАП совместимы с большинством интерфейсных стандартов DSP, а также с интерфейсами SPI, QSPI и MICROWIRE. Внешний источник опорного напряжения дает возможность получать любые варианты выходных уровней до 10 В.

Комбинация используемых компонентов позволяет создавать самые компактные и дешевые в отрасли решения с высоким разрешением. Эти три конструкции, обеспечивающие решения с низким уровнем риска, основаны на стандартных, серийно выпускаемых компонентах.

Описание схем

Во всех трех схемах используется источник 5 В для питания ЦАП и источники ±15 В для питания операционных усилителей. Для некоторых схем может потребоваться точный внешний источник опорного напряжения [1].

Каждая схема состоит из двух каскадов. Первый, каскад, входной, образован ЦАП и ОУ. Второй каскад, выходной, представлен N-канальным MOSFET (Рисунки 1 и 2), формирующим ток, пропорциональный записанному цифровому коду.

Во входном каскаде схемы, изображенной на Рисунке 1, использованы ЦАП AD5446 и ОУ AD8510. Схема выполняет преобразование командного слова и управление транзистором. Командное слово записывается через интерфейс SPI.

Рисунок 1.	Источник тока на основе ЦАП с токовым выходом. (Некоторые второстепенные цепи и развязывающие конденсаторы на схеме не показаны).

В выходном каскаде использован N-канальный MOSFET типа NTE4153N, способный отдать в нагрузку намного больший ток, чем выход ОУ. R1, единственный резистор в этой схеме, необходим для формирования сигнала управления транзистором.

Ток нагрузки равен

 

где

D – доля от максимального кода, загруженная в ЦАП,
R_DAC – входное сопротивление ЦАП.

Принимая, однако, во внимание, что R_DAC >> R1 (номинальное значение R_DAC = 9 кОм), выражение можно упростить:

 

При R1 = 100 Ом и V_IN = −5 В ток I_LOAD можно программировать в диапазоне 0 … 50 мА с разрешением 3 мкА (вес младшего разряда 14-битного кода). Диапазон изменений выходного напряжения составляет примерно 20 В и ограничен напряжением пробоя MOSFET. Идеальным прецизионным маломощным источником опорного напряжения 5 В для этой схемы будет прибор ADR425, однако его выходное напряжение необходимо инвертировать с помощью дополнительного ОУ, чтобы получить опорный уровень −5 В.

В схеме, показанной на Рисунке 2, также используется ЦАП AD5446. Однако в данном случае он включен в обратной конфигурации, обеспечивающей выход по напряжению при использовании источника опорного напряжения 1.2 В, такого, например, как ADR512.

Рисунок 2.	Источник тока на основе ЦАП с токовым выходом, включенного в режиме выхода по напряжению. (Некоторые второстепенные цепи и развязывающие конденсаторы на схеме не показаны).

Выходное напряжение ЦАП на выводе 9 изменяется в диапазоне от 0 до 1.2 В. Подробное описание режима с выходом по напряжению можно найти в [2].

В данном случае используется ОУ OP1177, имеющий высокую точность и малое напряжение смещения, не превышающее 60 мкВ. Последнее обстоятельство особенно важно, когда ЦАП используется в режиме выхода по напряжению, размах выходного сигнала в котором существенно уменьшен.

N-канальный MOSFET в сочетании с ОУ образуют схему сильноточного выходного повторителя.

Отрицательная обратная связь с истока транзистора на вход ОУ управляет величиной тока, протекающего через резистор R1.

Ток нагрузки равен

 

При R1 = 10 Ом и V_IN = 1.2 В ток I_LOAD можно программировать в диапазоне от 0 до 120 мА с шагом 7 мкА (вес младшего разряда 14-битного кода).

В третьей схеме, изображенной на Рисунке 3, используется 16-битный ЦАП AD5543 в качестве входного каскада, и схема источника тока Хауленда в качестве выходного. По сравнению с выходами на MOSFET токовые насосы Хауленда имеют два преимущества: большое выходное сопротивление и способность формировать биполярные выходные токи. Для повышения устойчивости такие схемы обычно делают симметричными. Поэтому R1 = R1', R2 = R2' и R3 = R3'.

Рисунок 3.	Источник биполярного тока, основанный на схеме Хауленда. (Некоторые второстепенные цепи и развязывающие конденсаторы на схеме не показаны).

Ток нагрузки равен (вывод выражения см. в [3])

 

Выходной импеданс равен

 

Если R1 = 150 кОм, R2 = 15 кОм, R3 = 50 Ом и V_IN = 10 В, ток I_LOAD можно программировать в диапазоне 0 … 20 мА с разрешением 300 нА (вес младшего разряда 16-битного кода), причем схема будет иметь очень большой выходной импеданс.

Получить требуемые характеристики любой из трех схем можно лишь при самом внимательном отношении к качеству трассировки печатных плат, заземлению и технологиям развязки, чтобы правильно разделить цепи ЦАП и ОУ (см. [4] и [5]).

Общие рекомендации по выбору компонентов

В обеих схемах можно использовать опорные источники с другим напряжением, чтобы получить больший или меньший диапазон выходных токов (см. [6]). Обратите внимание: положительному напряжению опорного источника соответствует отрицательный выходной ток, что обусловлено архитектурой умножающих ЦАП. Хотя для оптимизации схемы по скорости, точности и другим параметрам можно использовать множество различных ЦАП, токовые КМОП выходы таких приборов, как AD5543 и AD5446, обеспечивают бóльшую гибкость в использовании при меньшем уровне риска.

Что касается выбора ОУ, если диапазон выходных сигналов у вас невелик, КМОП усилители будут работать нормально. Если необходим высокий входной импеданс, наилучшим выбором будут ОУ с МОП транзисторами на входах. В любом случае, для того, чтобы получить 14…16-битную точность, ОУ должны быть прецизионными.

Ссылки

 

1. MT-087 Tutorial, Voltage References. Analog Devices.
2. AD5446 Data Sheet
3. Brennan, Sean. AN-843 Application Note, Measuring a Loudspeaker Impedance Profile Using the AD5933, Analog Devices.
4. MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the Mystery of "AGND" and "DGND," Analog Devices.
5. MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques. Analog Devices.
6. Voltage Reference Selection and Evaluation Wizard.