Hur och varför använda D/A-omvandlare med strömutgång för ställdon och styrning med sluten slinga

I och med den utbredda användningen av elektronikprodukter ökar behovet av digital-till-analogomvandlare (D/A-omvandlare) som bygger broar mellan digitala system och den analoga världen för att åstadkomma ändringar. Samtidigt som konstruktörer är väl bekanta med konventionella D/A-omvandlare med spänningsutgång, kräver många tillämpningar D/A-omvandlare med strömutgång för att erhålla en precis och stabil högupplöst ström på tiotals eller hundratals milliampere som styr resistiva, induktiva eller reaktiva laster av låg impedans.

Samtidigt som sådana laster kan vara spänningsdrivna, är det mer effektivt och precist att använda en strömkälla, eller drivenhet, för dessa omvandlare. D/A-omvandlare med strömutgång är dock inte direkt utbytbara ersättningar för D/A-omvandlare med spänningsutgång.

I denna artikel gör vi en snabb sammanfattning av varför det är bra och ofta nödvändigt att använda D/A-omvandlare med strömutgång. Sedan fokuseras på effektiv användning av D/A-omvandlare med strömutgång och två integrerade kretsar från Analog Devices: 14-bitars AD5770R med sex kanaler och 16-/12-bitars LTC2662 med fem kanaler.

D/A-omvandlare kontra A/D-omvandlare

D/A-omvandlare är det funktionella komplementet till analog-till-digitalomvandlare (A/D-omvandlare), men ställs inför väldigt skilda utmaningar. Målet med A/D-omvandlare är att kontinuerligt digitalisera en okänd, slumpartad ingångssignal utan hänseende till externt och internt brus och leverera resultaten till en kompatibel processor. I kontrast till A/D-omvandlaren matas D/A-omvandlaren med ett väl definierat och begränsat digitalt mönster från processorn utan problem avseende signal-brusförhållande (SNR). D/A-omvandlarens utgång måste dock hantera externa laster, vilket kan vara utmanande ur elektrisk synpunkt.

D/A-omvandlare med strömutgång kontra spänningsutgång

Vissa omvandlare och styrkretsar kräver precist kontrollerad ström från en D/A-omvandlare. Sådana tillämpningar inkluderar högtalarspolar, solenoider och motorer; styrinställningar i system med öppen eller stängd slinga för industriellt, vetenskapligt eller optiskt bruk; enkla resistiva värmare eller sofistikerade avstämbara lasrar; automatisk testutrustning för stimuleringssonder; precisionsström för laddning av batterier; lysdioder med justerabar dämpning (figur 1).

Figur 1: en D/A-omvandlare med strömutgång är lämplig för tillämpningar såsom optiska noder, där den styr optiska förstärkare, avstämbara lasrar och laservärmare för temperaturkontroll, här med flerkanalig D/A-omvandlare LT2662. (Bildkälla: Analog Devices)

Lasterna är ofta resistiva, induktiva eller magnetiska och av låg impedans. Även om dessa laster kan drivas av en spänning, är förhållandet mellan spänning och effekt komplext och vanligtvis icke linjärt. På så vis är det mer effektivt och precist att använda en strömkälla för dessa typer av omvandlare.

I allmänhet kan konstruktörer vara mindre bekanta med D/A-omvandlare med strömutgång för utmatning av väldefinierade signaler. Ett sätt att omvandla en konventionell D/A-omvandlare med spänningsutgång till en med strömutgång är att lägga till en operationsförstärkare i utgången konfigurerad som en spänning/ström-omvandlare (figur 2).

Figur 2: en operationsförstärkare (vänster) eller en operationsförstärkare med MOSFET-utgångsförstärkning (höger) kan användas för att förvandla en spänningsutgångskälla till en strömutgångskälla, men resultatet kanske inte är praktiskt implementerbart eller tekniskt passande jämfört med en design baserad på en verklig D/A-omvandlare med strömutgång. (Bildkälla: Analog Devices)

Att göra detta kräver dock mer aktiva och passiva komponenter på strukturlistor (BOM) och kretskort och operationsförstärkaren behöver goda egenskaper som strömsänka/-källa, annars måste den förstärkas av en MOSFET. Dessutom är det svårare att räkna ut felbudgeten för omvandlarfunktionen för digital ingång/strömutgång i hela utgångs- och temperaturomfånget, eftersom det finns fler aktiva komponenter med oberoende specifikationer, liksom fler passiva komponenter.

Jobba sig genom problemen

Oavsett om enheterna är för strömutgång eller spänningsutgång, definieras de flesta D/A-omvandlare av upplösningen och uppdateringshastigheten. I allmänhet används D/A-omvandlare med strömutgång inte för signalbehandling/signalanalys eller vågformsgenerering. Dessutom ändras typiska belastningar vanligtvis relativt långsamt på grund av deras elektromekaniska eller termiska egenskaper. Därför varierar upplösningen för dessa D/A-omvandlare mellan 12 och 16 bitar med uppdateringsfrekvenser på tiotals eller hundratals kilosamplingar per sekund (KS/s).

När användare väljer eller använder D/A-omvandlare med strömutgång måste de dock ta hänsyn till vissa viktiga problem som kanske inte uppstår när D/A-omvandlare med spänningsutgång används:

1. Gränsspänning för överensstämmelse och spänningsfall
2. Strömgenereringsintervall och -upplösning (och ökning av båda)
3. Transientförhållanden inklusive power-on-reset (POR) och utgångsfel
4. D/A-omvandlardata och utgångens integritet och precision
5. Värmedissipation

Låt oss titta närmare på dessa konstruktionsproblem i detalj med hjälp av AD5770R och LTC2662.

1. Gränsspänning för överensstämmelse och spänningsfall

Förutom de vanliga specifikationerna för D/A-omvandlare avseende linjäritet och precision, finns för D/A-omvandlare med spänningsutgång ytterligare två parametrar som inte finns för D/A-omvandlare med strömutgång: gränsspänning för överensstämmelse och spänningsfall.

Gränsspänning för överensstämmelse avser den maximala spänning som en spänningskälla kan nå när den försöker uppnå önskad ström – en elementär men kritisk situation. Strömkällan kan mata lasten så länge spänningen över lasten ligger inom konstruktionens gränser. Den kan inte driva in ström i lasten utan att också tillföra nödvändig spänning, som byggs upp över lasten. Källan justerar utgångsspänningen för att tillföra önskad mängd ström till lasten.

Om du t.ex. vill tillföra 10 milliampere (mA) till en last på 1 kiloohm (kΩ) krävs en gränsspänning på minst 10 volt. Om spänningsfallet övergår gränsspänningen för överensstämmelse, kan D/A-omvandlaren inte tillföra ström. Denna situation är komplementär till den då en spänningskälla inte kan leverera nominell matningsspänning när strömmen som dras av lasten ökar utöver det tillförda strömvärdet.

Tänk på en D/A-omvandlare (eller annan strömkälla) som driver en seriekopplad sträng av 10 lysdioder, var och en med ett fall på 1,5 volt, vid 20 mA. Om källan inte kan tillföra dessa 20 mA vid 15 volt DC (plus lite spelrum), kommer den inte kunna tillföra strömmen även om den enkelt skulle kunna göra det vid en lägre spänning. För D/A-omvandlare med strömutgång gäller att en gränsspänning som ligger nära spänningsmatningen till omvandlarens utgångssteg maximerar D/A-omvandlarens intervall.

Varför all denna diskussion om gränsspänning för överensstämmelse? Trots dess grundläggande natur (härledd ur V = IR) är det ett område som ofta överses av nya ingenjörer som endast har haft att göra med spänningskällor. Det är ju trots allt så att när en 12 volts matningsspänning behövs, blir ingenjörens första fråga ”och hur mycket ström?” Men motsvarande fråga angående strömkällor – ”Vad är gränsspänningen för överensstämmelse?” – förblir ofta osagd.

Överensstämmelsen av en D/A-omvandlare med strömutgång begränsas inte av omvandlarens egen spänningsmatning. Till exempel i den flerkanaliga LTC2662 har varje kanal sitt eget matningsstift, för att tillåta överensstämmelse av varje kanal med lastens behov samtidigt som den totala effektförlusten minimeras.

D/A-omvandlare med strömutgång räknar även med en spänningsfallsgräns. Detta är minsta spänningsfall som krävs över D/A-omvandlaren för att upprätthålla utgångsreglering. Det är en funktion av lastspänningen: ju mindre spänningsfall, desto större intervall där D/A-omvandlaren kan fungera. Den femkanaliga LTC2662 har strömutgång av hög överensstämmelse med ett garanterat fall på 1 volt vid 200 mA (figur 3).

Figur 3: Spänningsfallet för LTC2662 är under 1 volt över hela dess matningsintervall, vilket säkerställer tillräckligt operationellt utrymme vid alla strömvärden. (Bildkälla: Analog Devices)

2. Strömgenereringsintervall och -upplösning (och ökning av båda)

Det finns D/A-omvandlare med strömutgång som har utgångskapacitet som kan gå upp till flera hundra milliamperer. Observera att D/A-omvandlare med strömutgång vanligtvis konstrueras för att driva, inte sänka, ström. Om det dock krävs att strömmen sänks, finns det kanaler tillgängliga för detta (och ytterligare restriktioner som måste iakttas).

D/A-omvandlare med flera kanaler och stora intervall har två attribut: de tillåter att utgångar kan läggas ihop för högre total ström och optimerar varje kanals upplösning efter tillämpningen. På så vis kan den effektiva upplösningen maximeras och inte kastas bort, genom att endast en del av D/A-omvandlarens dynamiska omfång används. Det kan liknas vid att använda en programmerbar förstärkare (PGA) vid ingången till A/D-omvandlaren så att ingångssignalen skalas till omvandlarens ingångsomfång. Att använda en 14-bitars, 100 mA-intervall med en D/A-omvandlare för 0 till 25 mA skulle ge endast 12 bitars effektiv upplösning och 2 bitar skulle gå förlorade.

Av denna anledning erbjuder AD5770R och LTC2662 olika omfång för deras multipla utgångar. Exempelvis innehåller AD5770R fem 14 bitars strömkällkanaler och en 14 bitars käll-/sänkkanal (figur 4).

Figur 4: AD5770R från Analog Devices är en sexkanalig, 14 bitars D/A-omvandlare med strömutgång, on-chip-referens och seriellt perifert gränssnitt (SPI), bland många andra funktioner. (Bildkälla: Analog Devices)

Kanalerna är ordnade enligt följande:

Kanal 0: 0 mA till 300 mA, -60 mA till +300 mA, -60 mA till 0 mA

Kanal 1: 0 mA till 140 mA, 0 mA till 250 mA

Kanal 2: 0 mA till 55 mA, 0 mA till 150 mA

Kanal 3, kanal 4, kanal 5: 0 mA till 45 mA, 0 mA till 100 mA

Detta arrangemang erbjuder flera fördelar för drift som tjänar olika ändamål:

• Den erbjuder en enkel lösning för maximal drivström.
• Att använda mindre maximala effektområden med samma upplösning leder till mindre, mer precisa värden för mA/stegstorlek.
• Det tillåter kombinationer av utgångar för grov/fin upplösning.

Avseende den första punkten kan dessa strömkällor vara parallella. Till exempel, på AD5770R summeras kanal 1 (250 mA) och kanal 2 (150 mA) för en sammanslagen drift av 400 mA (figur 5). Det finns förstås förbehåll som en konstruktör inte kan ignorera: gränsspänningen för överensstämmelse måste ligga inom det område som anges i databladet och utgångsspänningen måste ligga inom de absoluta maximala märkvärden som anges i databladet.

Figur 5: Leverera mer ström med dessa D/A-omvandlare är enkelt, eftersom deras utmatning kan kombineras parallellt. Här, en källa på 250 mA och en källa på 150 mA som levererar upp till 400 mA av full och enkelt kontrollerbar ström. (Bildkälla: Analog Devices)

På liknande sätt har LTC2662 med fem kanaler åtta strömintervall, programerbara per kanal, med fullskaliga utgångar upp till 300 mA, 200 mA, 100 mA, 50 mA, 25 mA, 12,5 mA, 6,25 mA och 3,125 mA. Alla dessa kan kombineras för en maximal ström på 1,5 A.

Att lägga utgångar parallellt är även ett enkelt sätt att förbättra den övergripande upplösningen runt ett önskat nominellt utgångsvärde, genom grov- och fininställningar (den tredje och sista punkten ovan). Genom att använda en utgång med stort intervall parallellt med en annan av mindre intervall, kan den förra kanalen fungera som grovinställning och den senare som fininställning, vilket ger en upplösning utöver märkdatan på 12/16 bitar för varje kanal (till en kostnad av att två av de fem befintliga kanalerna används).

3. Transientförhållanden inklusive power-on-reset (POR) och utgångsfel

I många tillämpningar är det en anledning till oro att D/A-omvandlaren matar ut vid power-on (benämnt power-on-reset eller POR), eftersom processorn (och dess programvara) inte kan initiera omvandlaren omedelbart. Även om processorkoden prioriterar initiering av D/A-omvandlaren, kan det ta längre tid för processorn med dess många DC-strömskenor att starta upp jämfört med vad den mycket enklare D/A-omvandlaren kräver.

Denna skillnad i uppstart av processor och D/A-omvandlare skulle kunna leda till en oacceptabel utmatning av D/A-omvadlaren – till exempel om omvandlaren kontrollerade ett rörligt element. Därför är det viktigt att känna till POR-status för D/A-omvandlarens kanaler. Av denna anledning återställs utgångarna på LTC2662 till ett högre impedanstillstånd vid uppstart, vilket gör systemets initiering konstant och upprepbar. AD5770R har ett asynkront ÅTERSTÄLLNINGSSTIFT som kan drivas av en hårdvarutimer eller ett återställningslås. Om stiftet slås om till logisk nolla i minst 10 nanosekunder (ns) återställs alla register till ursprungsvärdet.

Även övergångsfel vid utmatning kan vara en anledning till oro. När nya bitar av det nya kodmönstret som lastas i D/A-omvandlaren har tidsförskjutningar gentemot varandra, gör D/A-omvandlaren en falsk utmatning under en övergångsperiod mellan den äldre inställningen och den nya. Som med POR, kan detta vara oacceptabelt. För att undvika detta matar både LT2662 och AD5770 dubbla bufferdata till D/A-omvandlaren. Alla databitar för en eller flera kanaler kan skrivas till respektive ingångsregister utan att ändra D/A-omvandlarens utgång. Sedan, med ett enda kommando till enheten för att ”lasta D/A-omvandlare”, överförs ingångsregistrets innehåll till omvandlarens register, vilket uppdaterar omvandlarens utgång utan fel.

4. D/A-omvandlardata och utgångens integritet och precision

Många av dessa D/A-omvandlare används för rörliga och mekaniska element, så det kan vara nödvändigt att verifiera omvandlarens prestanda. Detta drar uppmärksamhet till båda D/A-omvandlarens digitala innehåll och dess faktiska strömutgångsvärde.

Avancerade D/A-omvandlare som AD5770R och LTC2662 räknar med flera lösningar till integritetsproblemet: dataupprepning, bekräftelse av dataintegritet genom intern cyklisk redundanskontroll (CRC) och indirekt mätning av utgångsström. De första två bekräftar data skickad till och lagrad i D/A-omvandlaren. Den tredje övervakar strömmen som tillförs av omvandlaren.

Elementär dataupprepning kräver en åtgärd från processorn, vilket ger upphov till vissa CPU-laster när programvaran måste initiera upprepningen och jämföra dess värde med det värde som skickades först. Dock innebär inte CRC-funktionen som är byggd i AD5770R någon belastning. AD5770R utför regelbundet en CRC-bakgrundsåtgärd av sina dataregister i kretskortet för att säkerställa att inga minnesbitar är korrupta. Om datafel registreras flaggar den ett larm i statusregistret.

Det ultimata testet för att säkerställa tillförlitligheten för D/A-omvandlarens prestanda är att mäta utgångsströmmen och gränsspänningen. Både AD5770R och LTC2662 har diagnosfunktioner där användaren kan övervaka parametrarna via multiplexade spänningar som representerar dessa värden. Användaren kan välja vilken spänning som ska styras till multiplexerutgången, så att den kan mätas med en extern A/D-omvandlare. För AD5770R har denna strömövervakning en precision inom 10 % av det fullskaliga effektområdet, vilket är nog för att upptäcka grova fel. Om konstruktören behöver högre precision vid övervakning av utgången kan avläsningen kalibreras.

Den absoluta precisionen för D/A-omvandlarens utgång beror till stor del på prestandan av dess spänningsreferens, samt vissa interna precisionsmotstånd. AD5770R inkluderar en voltreferens på 1,25 V med maximal temperaturkoefficient (eller ”tempco”) av 15 ppm/°C. Voltreferensen på 1,25 V i LTC2662 har ett värde av 10 ppm/°C. Konstruktörer kan utnyttja prestandan av precisionsreferenserna i dessa D/A-omvandlare för att enklare uppnå precisionsmålen för hela systemet, eftersom referenserna även är tillgängliga för externt bruk (med tillagd extern buffring).

De interna referenserna, med specifikationer för 10 respektive 15 ppm/°C, är troligtvis mer än nog för de flesta situationer. Givet det breda arbetstemperaturområdet för dessa D/A-omvandlare (-40 °C till +105 °C för AD5770R och -40 °C till 125 °C för LTC2662) kan dock referensspänningens temperturavvikelser bli excessiva i vissa situationer.

Båda D/A-omvandlare erbjuder lösningar genom en extern referens tillsammans med en intern buffert för denna referens. Om en mindre tempco behövs är en referens för låg drift som LTC6655 (temperaturkoefficient 2 ppm/°C) ett alternativ. Det är inte enkelt att använda en högpresterande extern referens: det kräver extra uppmärksamhet till kortets layout, mekanisk belastning, lödningstemperaturer vid tillverkning och andra detaljer som snabbt kan kompromettera dess angivna prestanda.

5. Värmedissipation

Kom alltid ihåg att dessa D/A-omvandlare levererar effekt till laster i form av kontrollerade strömmar. Därför är dissipation och självuppvärmning av integrerade kretsar (IC) problem som måste analyseras för att säkerställa att maximalt tillåten temperatur för den interna insatsen inte överskrids. I de flesta fall krävs värmesänkning via kretskortet, med hjälp av lödpunkter i IC som termiska avledare.

Den termiska analysen börjar med analys av toppar per kanal, genomsnittlig strömleverans och associerad dissipation. Den fortsätter med modellering av vägen från IC till kretskort och kortets värmesänkningskapacitet (d.v.s. antal lager, tillgänglig kopparyta och andra komponenter som använder samma värmesänkningsyta). Databladet för AD5770R (som drivs från en enda matning på 2,9 till 5,5 volt) ger en provberäkning av hur mycket effekt som dissiperas vid rumstemperatur när flera utgångar tillförs givna strömmar. Konstruktörer kan använda detta som guide för inledande analyser av deras specifika situationer.

För att begränsa onödig dissipation räknar LTC2662 med ett separat tillförselstift för varje utgångskanal. Varje kanal kan strömförsörjas separat från en källa på mellan 2,85 volt och 33 volt för att reglera dissipationen av varje kanal och tillmötesgå utrymmet som behövs vid större lastintervaller.

Bitarna faller på plats

Trots den konceptuella enkelheten har flerkanaliga D/A-omvandlare med strömutgång som AD5770R och LTC2662 ett stort antal register för styrning av grundfunktioner som intervallinställning, dataladdning, upprepning och flaggbitar. De har även måsta fysiska anslutningar förutom de som krävs för SPI-bussar och D/A-omvandlarutgångar.

Av dessa anledningar kan utvärderingskort som DC2629A-A för LTC2662 och tillhörande programvara spara mycket tid och minska frustrationer, samtidigt som de underlättar utvärderingen av D/A-omvandlarens prestanda i verklighetsscenarion (figur 6).

Figur 6: en demokrets och ett utvärderingskort som DC2629A-A för D/A-omvandlare med strömkälla LTC2662 underlättar anslutningar och ger enkel åtkomst till många funktioner som flerkanaliga D/A-omvandlare med strömutgång har. (Bildkälla: Analog Devices)

Kortet, som är utvecklad för 16-bitars LTC2662, underlättar anslutningar till D/A-omvandlaren och utvärderingen av dess tillvalsfunktioner, såsom användningen av en extern spänningsreferens. Demokretsen ansluts till användarens dator via USB-kabeln.

Den tillgängliga programvaran har en grafisk styrpanel där användaren kan träna med D/A-omvandlaren och ger enkel åtkomst till alla funktioner (figur 7).

Figur 7: en USB-ansluten dator med utvärderingsprogramvaran och det grafiska gränssnittet för inställning och övning av flertalet register och alternativ på D/A-omvandlare LTC2662 – en process som är integrerad i konstruktionsarbetet. (Bildkälla: Analog Devices)

Slutsats

Även då D/A-omvandlare med strömutgång inte är lika kända som deras motparter med spänningsutgång, är de oumbärliga för många praktiska tillämpningar och laster. Dessa D/A-omvandlare – speciellt enheter av högre utgångsström och med flera kanaler som AD5770R och LTC2662 från Analog Devices – erbjuder många funktioner och användarinställningar där konstruktörer kan optimera inpassningen och prestandan av avsedda tillämpningar. Användare som förstår dessa D/A-omvandlare och deras egenskaper kommer att kunna dra fördel av dessa egenskaper och funktioner.