Datasheet CN-0151 Datasheet (ANALOG DEVICES)

电路笔记

利用 ADI 公司产品进行电路设计

放心运用这些配套产品迅速完成设计。
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利用 DAC、运算放大器和 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
的 8 引脚MSOP和 8 引脚SOIC两种封装。14 位DAC
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。

AD5543 提供超紧凑(3 mm × 4.7 mm)

AD5446

CN-0151

连接/参考器件

AD5446/

4006-100-006

AD5543
OP1177/

AD8510
ADR425/

ADR512

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±15
V电源。一些电路可能需要一个精确的外部基准电压源（参

见教程

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（
它响应发送至系统的数字字而提供电流。

如
算放大器(
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(
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。

MT-087）。

图 1 所示，电路的输入级由电流输出DAC (AD5446)和运

AD8510)构成。它转换命令字并驱动晶体管，此外

14/16 位、高带宽、串行接口 DAC

精密、低噪声、低输入偏置电流运算
放大器

精密、低噪声 5 V/1.2 V 基准电压源

图 1 和 图 2），

NTE4153N)构成，它可提供

图

1.

使用电流输出

DAC

的电流源（未显示去耦和所有连接）

Rev.0
“Circuits from the Lab” from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices
engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction
of each circuit, and their function and performance have been tested and verified in a lab
environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit
and determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in
no event shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or
punitive damages due to any cause whatsoever connected to the use of any “Circuit from the
Lab”. (Continued on last page)

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CN-0151

负载电流为：

其中 D 为载入 DAC 数字字的小数表示。不过，R

标称值为 9 kΩ），因此负载电流可以近似表示为：

（R

DAC

DAC

>> R1

电路笔记

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
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。

AD5446 数据手

当R1 = 100 Ω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。
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。

ADR425

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 Ω 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

2.

使用电流输出

图

3.

DAC

基于

的电流源，其中

Howland

电流源的双极性电流源（未显示去耦和所有连接）

DAC

连接为“反向”电压模式（未显示去耦和所有连接）

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电路笔记

g

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 kΩ、R2 = 15 kΩ、R3 = 50 Ω 且 V
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。（请参考

MT-031 和 MT-101）。

教程

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
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。

基准电压源选择和评估向导）。请注

= 5 V 时，I

IN

LOAD

CN-0151

进一步阅读

MT-015 Tutorial, Basic DAC Architectures II: Binary DACs.

Analog Devices.

MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the

Mystery of "AGND" and "DGND." Analog Devices.

MT-087 Tutorial, Voltage References. Analog Devices.

MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques. Analog Devices.

Voltage Reference Selection and Evaluation Wizard

数据手册和评估板

AD5446 Data Sheet

AD5446 Evaluation Board

AD5543 Data Sheet

AD5543 Evaluation Board

AD5553 Data Sheet

AD5553 Evaluation Board

AD8510 Data Sheet

ADR425 Data Sheet

ADR512 Data Sheet

OP1177 Data Sheet

修订历史

4/10—Revision 0: Initial Release

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。

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