3种利用DAC、运放和MOSFET晶体管构建多功能高精度可编程电流源

电路功能与优势

数字控制电流源在许多应用中至关重要，如电源管理、电磁阀控制、电机控制、阻抗测量、传感器激励和脉搏血氧仪等。本文介绍三种利用 DAC、运算放大器和 MOSFET 晶体管构建支持串行接口数字控制的电流源。

所选DAC为配有标准串行接口的高分辨率（14 或 16 位）、低功耗CMOS。16 位DAC和图 2），AD5543提供超紧凑(3 mm × 4.7 mm)的 8 引脚MSOP和 8 引脚SOIC两种封装。14 位DAC AD5446提
供小型 10 引脚MSOP封装。这两款DAC均与大多数DSP接口标准兼容，而且兼容SPI、QSPI和MICROWIRE。外部基准电压输入允许输出电平可以有许多变化，最高可达 10 V。器件组合实现了业界领先的小 PC 板面积、低成本、高分辨率特性。三种设计均提供低风险解决方案，并使用业界标准器件。

图 1. 使用电流输出 DAC 的电流源（未显示去耦和所有连接）

电路描述

所有三个电路的DAC都需要 5 V单电源，运算放大器需要±15V电源。一些电路可能需要一个精确的外部基准电压源。

各电路均有两级。第一级是输入级，由DAC和运算放大器构成。第二级是N沟道MOSFET晶体管输出级（图1和图2)。它响应发送至系统的数字字而提供电流。如图 1所示，电路的输入级由电流输出DAC (AD5446)和运算放大器(AD8510)构成。它转换命令字并驱动晶体管，此外还调制施加于单电阻的电压。命令字通过SPI接口发送。输出级由N沟道MOSFET晶体管(NTE4153N)构成，它可提供高于运算放大器和单电阻输出的电流。单电阻R1 在电压施加于其引脚时产生电流。晶体管调节该电流。

图 2. 使用电流输出 DAC 的电流源，其中 DAC 连接为“反向”电压模式（未显示去耦和所有连接）

负载电流为：

其中D为载入DAC数字字的小数表示。不过，RDAC >> R1（RDAC标称值为 9 k?），因此负载电流可以近似表示为：

当R1 = 100 ?且VIN = 5 V时，ILOAD可在 0 mA至 50 mA范围内进行编程，分辨率为 3 μA（14 位时的 1 LSB）。输出电源电压约为 20 V，受MOSFET晶体管击穿电压的限制。ADR425是非常适用于本电路的 5 V低功耗精密基准电压源。图 2 所示电路也使用AD5446 DAC。但是，此时该DAC在“反向”或电压模式下工作，通过使用ADR512等 1.2 V基准电压源提供电压输出。

DAC输出电压在引脚 9 上提供，其范围为 0 V至 1.2 V。有关“反向“电压工作模式的更多信息，请参考AD5446数据手册。该电路所用的运算放大器为OP1177，它是一款高精度、失调电压非常低（最大值 60 μV）的器件。当DAC在电压输出模式工作时，低失调电压非常重要。

N沟道 MOSFET晶体管与运算放大器共同构成高电流输出跟随器电路。

从晶体管源引脚到运算放大器输入的负反馈调节流经 R1 的电流值。

负载电流为：

当R1 = 10 ?且VIN = 1.2 V时，ILOAD可在 0 mA至 120 mA范围内进行编程，分辨率为 7 μA（14 位时的 1 LSB）。

图 3. 基于 Howland 电流源的双极性电流源（未显示去耦和所有连接）

第三个电路如图 3所示，它使用 16 位DAC AD5543作为输入 级，并使用Howland电流泵电路作为输出级。与MOSFET输出相比，Howland电流泵有两个优势：高输出阻抗和提供双极性输出电流的能力。为了提高稳定性，该电路一般是对称的。因此，R1 = R1'，R2 = R2'，R3 = R3'。

当R1 = 150 k?、R2 = 15 k?、R3 = 50 ?且VIN = 5 V时，ILOAD可在 0 mA至 20 mA范围内进行编程，分辨率为 300 μA（16位时的 1 LSB），而且该电路具有非常高的输出阻抗。

为了适当分开DAC与运算放大器并达到理想的性能，所有三个电路都必须采用出色的布局、接地和去耦技术。

常见变化

为了获得更大或更小的电流输出范围，两个电路均可以使用其它基准电压源（参见基准电压源选择和评估向导）。请注意，由于DAC架构原因，正基准电压输入将产生负输出电流。虽然许多DAC都可以用来优化设计的速度、精度等特性，但AD5543和AD5446之类的CMOS电流输出DAC可提供更大的灵活性和低风险解决方案。

至于运算放大器，如果设计的输出信号范围相对较小，则CMOS 放大器应当是合适的。如果需要高输入阻抗，FET 输入运算放大器是不错的选择。无论何种情况，均需要精密放大器来保持 14 位至 16 位精度。