Waarom en hoe huidige DAC's te gebruiken voor actuatoraandrijving en closed-loop regeling

Met alomtegenwoordig gebruik van elektronica komt er steeds meer behoefte aan digitaal-naar-analoogomzetters (DAC's) om digitale systemen met de analoge wereld te verbinden om verandering te bewerkstelligen. Hoewel ontwerpers bekend zijn met conventionele DAC's met spanninguitgang, vereisen veel toepassingen het gebruik van DAC's met stroomuitgang om precieze, stabiele, hoge resolutiestromen in de tientallen of honderden milliampère te leveren om weerstand biedende, inductieve en reactieve belastingen met lage impedantie te regelen.

Hoewel zulke belastingen spanningsgedreven kunnen zijn, is het efficiënter en nauwkeuriger om een stroombron of aandrijving te gebruiken voor deze transducers. DAC's met stroomuitgang zijn echter geen eenvoudige "drop-in" vervangingen voor spanninguitgangs-DAC's.

Dit artikel geeft een korte blik op waarom DAC's met stroomuitgang een goede en vaak verplichte oplossing zijn. Het richt zich vervolgens op het effectieve gebruik van DAC's met stroomuitgang met behulp van twee IC's van Analog Devices: het zeskanaals, 14-bit AD5770R en het vijfkanaals, 16-/12-bit LTC2662.

DACs vs. ADCs

DAC's zijn de functionele aanvulling op analoog-naar-digitaal converters (ADC's), maar ze hebben een heel andere reeks uitdagingen. Voor de ADC is het doel om, ondanks externe en interne ruis, continu een onbekend, willekeurig ingangssignaal te digitaliseren en de resultaten te leveren aan een compatibele processor. In tegenstelling tot de ADC is de invoer naar de DAC een goed gedragen en begrensd digitaal patroon van de processor zonder problemen met de signaal-ruisverhouding (SNR), terwijl de DAC-uitvoer wordt geconfronteerd met de uitdaging om externe belastingen aan te sturen, wat mogelijk elektrisch moeilijk.

Stroomuitvoer vs. spanninguitvoer bij DACs

Sommige transducers en regellussen vereisen een nauwkeurig geregelde stroom van een DAC. Dergelijke toepassingen omvatten luidsprekerspoelen, elektromagneten en motoren; besturingsgerelateerde instellingen in industriële, wetenschappelijke en optische systemen met open en gesloten lus; basis weerstandsverwarmers of geavanceerde afstembare lasers; automatische testapparatuur (ATE) sondestimulatie; precisiestroom voor het opladen van batterijen; en LED's met instelbare dimfunctie (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een DAC met stroomuitgang is geschikt voor toepassingen zoals optische versterkerknooppunten waar het de optische versterker, de afstembare laser en de lasertemperatuurstabilisator bestuurt, hier getoond met de LT2662 multikanaals DAC. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Dit zijn vaak resistente, inductieve en magnetische belastingen met een lage impedantie. Hoewel deze belastingen door een spanning kunnen worden aangedreven, is de relatie tussen spanning en eindeffect complex en meestal niet-lineair. Daarom is het efficiënter en preciezer om een huidige bron te gebruiken voor dit soort transducers.

Over het algemeen zijn ontwerpers minder bekend met het gebruik van DAC's met stroomuitgang om een goed gedefinieerde uitgang te produceren. Een manier om een conventionele DAC met uitgangsspanning om te zetten in een stroomuitgangsapparaat is een uitgangsversterker toe te voegen die is geconfigureerd als een spanning-naar-stroom-convertor (V/I) (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Een op-versterker (links) of op-versterker met MOSFET-uitgangsversterking (rechts) kan worden gebruikt om een spanningsuitgangsbron om te zetten in een stroomuitgang, maar het resultaat is mogelijk niet zo handig om te implementeren of technisch voldoende wanneer vergeleken met een ontwerp op basis van een echte huidige bron-DAC. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Dit vereist echter meer actieve en passieve componenten op de stuklijst (BOM) en printplaat, en de op-versterker moet een goede stroombron/zinkcapaciteit hebben, of anders moet het worden gestimuleerd door een MOSFET. Verder is het moeilijker om het foutenbudget voor de digitale ingang/stroomuitgangsoverdrachtfunctie over het volledige bereik van uitgang en temperatuur te berekenen, omdat er meer actieve componenten zijn met onafhankelijke specificaties, evenals passieve componenten.

Door de problemen heen werken

Of het nu stroom- of spanningsuitgangsapparaten zijn, de meeste DAC's worden vaak in eerste instantie bepaald door hun resolutie en updatesnelheid. In het algemeen worden DAC's met stroomuitgang niet gebruikt voor signaalverwerking/analyse of het genereren van golfvormen. Verder veranderen hun typische belastingen gewoonlijk relatief langzaam als gevolg van hun elektromechanische of thermische aard. Daarom varieert de resolutie van deze DAC's tussen 12 en 16 bits met updatesnelheden in de tientallen of honderden kilo-monsters per seconde (KS/s).

Bij het selecteren of gebruiken van DAC's met stroomuitgang moeten gebruikers echter op de hoogte zijn van en enkele belangrijke problemen aanpakken die mogelijk niet aanwezig zijn in spanningsuitgang-DAC's:

1. Nalevingsspanning en uitvalspanning
2. Stroomdrivebereik en resolutie (en beide verhogen)
3. Voorbijgaande omstandigheden waaronder power-on-reset (POR) en uitgangglitches
4. DAC-gegevens en uitvoerintegriteit; nauwkeurigheid
5. Thermische dissipatie

Laten we deze ontwerpproblemen in meer detail bekijken in het kader van de AD5770R en LTC2662.

1. Nalevingsspanning en uitvalspanning

Naast de gebruikelijke DAC-specificaties van lineariteit en nauwkeurigheid, hebben DAC's met stroomuitgang twee parameters die niet worden gezien op DAC's met spanninguitgang: nalevingsspanning en uitvalspanning.

Nalevingsspanning is de maximale spanning die een stroombron zal bereiken wanneer deze de gewenste stroom probeert te produceren - een elementaire maar kritieke situatie. De stroombron kan de belasting leveren zolang de spanning over de belasting binnen de ontwerplimieten valt; het kan de stroom niet in de belasting drijven zonder ook de vereiste spanning aan te leggen, die over de belasting wordt ontwikkeld. De bron past de uitgangsspanning aan om de gewenste hoeveelheid stroom naar de belasting te leveren.

Bijvoorbeeld, het leveren van 10 milliampère (mA) aan een belasting van 1 kiloohm (kΩ) vereist een compliantiespanning van ten minste 10 volt. Als deze spanningsval de nalevingsspanning overschrijdt, kan de DAC de stroom niet genereren. Dit is de complementaire situatie voor een spanningsbron die niet in staat is om zijn nominale voedingsspanning te leveren wanneer de stroom die wordt getrokken door de belasting groter wordt dan de stroomwaarde van de voeding.

Overweeg een DAC (of een andere stroombron) die een reeks van 10 LED's aanstuurt, elk met een val van 1,5 volt, bij een stroom van 20 mA. Als de bron deze 20 mA niet kan leveren bij 15 volt DC (plus wat hoofdruimte), kan hij die stroom niet leveren, hoewel hij dit gemakkelijk bij een lagere spanning kan doen. Voor DAC's met stroomuitgang maximaliseert een nalevingsspanning die dicht bij de voedingsrail van de DAC-uitgangstrap ligt het DAC-bereik.

Waarom deze discussie over nalevingsspanning? Ondanks zijn basiskarakter (afgeleid van V = IR) is het een gebied dat vaak over het hoofd wordt gezien door beginnende ingenieurs die alleen met spanningsbronnen te maken hebben gehad. De eerste vraag die een ingenieur te horen krijgt dat een voeding van 12 volt nodig is, is immers "en met hoeveel stroom?" Toch blijft de overeenkomstige vraag met betrekking tot stroombronnen - "wat is de nalevingsspanning?" - vaak ongevraagd.

De conformiteit van een DAC met stroomuitgang wordt niet beperkt door de eigen toevoerrail van de DAC. In de meerkanaals LTC2662 heeft elk kanaal bijvoorbeeld zijn eigen voedingspen om de naleving van elk kanaal aan de belastingbehoeften te kunnen aanpassen, terwijl de algehele vermogensdissipatie wordt geminimaliseerd.

DAC's met stroomuitgang hebben ook een uitvalspanningslimiet. Dit is de minimale spanningsval over de DAC om de uitgangsregeling te handhaven. Het is een functie van laadstroom; hoe lager de uitvalspanning, hoe groter het bereik waarover de DAC kan functioneren. De vijfkanaals LTC2662 beschikt over zeer betrouwbare stroombronuitgangen met gegarandeerde 1 volt uitval bij 200 mA (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De uitvalspanning van de LTC2662 is lager dan 1 volt over het gehele voedingsbereik, waardoor voldoende werkruimte wordt gegarandeerd bij alle ingevoerde stroomwaarden. (Bron afbeelding: Analog Devices)

2. Stroomdrivebereik en resolutie (en beide verhogen)

DAC's met stroomuitgang zijn beschikbaar met uitvoeraandrijfmogelijkheden variërend tot enkele honderden milliampère. Merk op dat DAC's met stroomuitgang in het algemeen zijn ontworpen om stroom te genereren, niet te laten dalen; Als het huidige zinken vereist is, zijn er beschikbare kanalen die dit kunnen doen (samen met aanvullende beperkingen die moeten worden nageleefd).

Multi-channel, multi-range DAC's bieden twee attributen: ze maken een optelling mogelijk van de uitgangen voor een hogere algehele stroom, samen met een optimale afstemming van de resolutie van elk kanaal op de applicatie. Op deze manier wordt effectieve resolutie gemaximaliseerd in plaats van verspild door slechts een deel van het dynamische DAC-bereik te gebruiken. Het is analoog aan het gebruik van een programmeerbare versterkingsversterker (PGA) aan de ingang van een ADC, zodat het ingangssignaal wordt geschaald naar de ADC-ingangsspanne. Het gebruik van een 14-bits 100 mA-bereik met een DAC met stroomuitgang voor 0 tot 25 mA-aandrijving zou slechts 12 bits effectieve resolutie opleveren, waardoor 2 bits worden verspild.

Om deze reden bieden de AD5770R en LTC2662 verschillende overspanningen voor hun meerdere uitgangen. De AD5770R bevat bijvoorbeeld vijf 14-bit huidige bronkanalen en één 14-bit bron/sink-kanaal (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De AD5770R van Analog Devices is een zeskanaals 14-bits DAC met stroomuitgang met een referentie op de chip en een seriële perifere interface (SPI), naast vele andere functies en functies. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De kanalen zijn als volgt ingedeeld:

Kanaal 0: 0 mA tot 300 mA, −60 mA tot +300 mA, −60 mA tot 0 mA

Kanaal 1: 0 mA tot 140 mA, 0 mA tot 250 mA

Kanaal 2: 0 mA tot 55 mA, 0 mA tot 150 mA

Kanaal 3, Kanaal 4, Kanaal 5: 0 mA tot 45 mA, 0 mA tot 100 mA

Deze regeling biedt verschillende aandrijfvoordelen die meerdere doelen dienen:

• Het biedt een eenvoudige oplossing voor het verhogen van de maximale aandrijfstroom
• Het gebruik van de kleinere maximale uitvoerbereiken maar met dezelfde resolutie resulteert in kleinere, nauwkeurigere mA/stapgroottewaarden
• Hiermee kunnen uitgangen worden gecombineerd om een grove/fijne resolutie te krijgen

Wat het eerste punt betreft, kunnen deze huidige bronnen eenvoudig worden parallelgeschakeld. Kanaal 1 van de AD5770R (250 mA) en kanaal 2 (150 mA) worden bijvoorbeeld opgeteld om een aggregaataandrijving van 400 mA te leveren (Afbeelding 5). Natuurlijk zijn er kanttekeningen die een ontwerper niet kan negeren: de nalevingsspanning moet binnen het bereik liggen dat op het gegevensblad is aangegeven; en de uitgangsspanning moet binnen de absolute maximale waarden blijven die ook in het gegevensblad zijn gespecificeerd.

Afbeelding 5: Meer stroom leveren met deze DAC's is eenvoudig, omdat hun uitgangen parallel kunnen worden gecombineerd; hier leveren een 250 mA-bron en 150 mA-bron tot 400 mA volledig en gemakkelijk regelbare stroom. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Evenzo heeft de vijfkanaals LTC2662 acht stroombereiken, programmeerbaar per kanaal, met volledige uitgangen tot 300 mA, 200 mA, 100 mA, 50 mA, 25 mA, 12,5 mA, 6,25 mA en 3,125 mA; deze kunnen allemaal worden gecombineerd voor een maximale stroom van 1,5 A.

Parallelleren van uitgangen biedt ook een eenvoudige manier om de algehele resolutie rond een gewenste nominale uitvoerwaarde te verbeteren met behulp van grove en fijne instellingen (het derde en laatste punt in de bovenstaande lijst). Door een uitvoer met een breed bereik parallel met een andere uitvoer met een kleiner bereik te gebruiken, functioneert het voormalige kanaal als een grove instelling, terwijl het laatste kanaal fungeert als een fijne instelling, waardoor een resolutie wordt geboden die hoger is dan de 12-/16-bit rating van elk kanaal (bij kosten van het gebruik van twee van de vijf kanalen).

3. Voorbijgaande omstandigheden waaronder power-on-reset (POR) en output glitches

In veel toepassingen is de DAC-uitgang bij het inschakelen (power-on-reset of POR genoemd) een probleem, omdat de processor (en de software) de DAC niet onmiddellijk kan initialiseren. Zelfs als de processorcode initialisatie van de DAC tot een prioriteit maakt, kan de processor met zijn meerdere DC-stroomrails er langer over doen om op te starten dan de veel eenvoudigere DAC vereist.

Dit processor/DAC-opstarttijdverschil kan leiden tot een onacceptabele DAC-uitvoer, bijvoorbeeld als de DAC een bewegend element bestuurt. Daarom is het belangrijk om een bekende status op POR te hebben voor de DAC-kanalen. Om deze reden worden de uitgangen van de LTC2662 bij het opstarten gereset naar een hoge impedantiestatus, waardoor de systeeminitialisatie consistent en herhaalbaar is. De AD5770R heeft een asynchrone RESET-pin die kan worden aangedreven door een hardwaretimer of reset-vergrendeling; door de pin minimaal 10 nanoseconden (ns) op logisch laag te zetten, worden alle registers teruggezet op hun standaardwaarden.

Uitgangsovergangsproblemen kunnen ook een probleem zijn. Wanneer nieuwe bits van het nieuwe codepatroon dat in een DAC wordt geladen timing skew ten opzichte van elkaar zijn, zal de DAC een valse uitvoer leveren in de overgangsperiode tussen de oude instelling en de nieuwe instelling; net als bij POR kan dit onaanvaardbaar zijn. Om dit te voorkomen, worden zowel de LT2662 als de AD5770 dubbele buffergegevens in de DAC's geladen. Alle databits voor één of meerdere kanalen kunnen naar de respectieve invoerregisters worden geschreven zonder de DAC-uitgangen te wijzigen. Vervolgens verzendt een enkele opdracht voor het laden van de DAC die aan het apparaat is gegeven de inhoud van het invoerregister naar de DAC-registers, waardoor de DAC-uitvoer zonder problemen wordt bijgewerkt.

4. DAC-gegevens en uitvoerintegriteit; nauwkeurigheid

Veel van deze DAC's worden gebruikt in toepassingen met bewegende en mechanische elementen, en daarom kan het nodig zijn om de DAC-prestaties te verifiëren. Dit vereist aandacht voor zowel de digitale inhoud van een DAC als de werkelijke huidige uitvoerwaarde.

Geavanceerde DAC's zoals de AD5770R en LTC2662 bieden meerdere oplossingen voor het integriteitsprobleem: gegevens lezen, op CRC gebaseerde gegevensbevestiging op basis van interne cyclische redundantiecontrole en meting van de indirecte uitgangsstroom. De eerste twee items bieden een bevestiging van de gegevens die zijn verzonden naar en opgeslagen in de DAC; de derde bewaakt de stroom die door de DAC wordt geproduceerd.

Voor het eenvoudig teruglezen van gegevens is processoractie vereist en moet de CPU worden geladen, omdat de software het teruglezen moet initiëren en de waarde ervan moet vergelijken met de oorspronkelijke verzonden waarde. De CRC-functie ingebouwd in de AD5770R voegt echter geen last toe. De AD5770R voert periodiek een achtergrond-CRC-bewerking uit op zijn on-chip gegevensregisters om ervoor te zorgen dat de geheugenbits niet corrupt zijn. Als wordt vastgesteld dat er een gegevensfout is, wordt een vlagalarmbit in een statusregister geplaatst.

De ultieme test om het vertrouwen in de prestaties van de DAC te waarborgen, is het meten van de uitgangsstroom en de nalevingsspanningswaarde. Zowel de AD5770R als LTC2662 bevatten diagnostische functies waarmee de gebruiker die parameters kan monitoren via multiplexspanningen die representatief zijn voor hun waarden. De gebruiker kan selecteren welke spanning naar de uitgang van de multiplexer moet worden geleid, zodat deze kan worden gemeten met een externe ADC. Voor de AD5770R is deze huidige monitoring nauwkeurig tot op 10% van het volledige uitvoerbereik, wat voldoende is om grove fouten en fouten te zien. Als de ontwerper een betere nauwkeurigheid van de uitvoerbewaking nodig heeft, kan de meting worden gekalibreerd.

De absolute nauwkeurigheid van de uitvoer van de DAC is grotendeels afhankelijk van de prestaties van de spanningsreferentie, plus enkele interne precisieweerstanden. De AD5770R bevat een referentie van 1,25 volt met een maximale temperatuurcoëfficiënt (of "tempco") van 15 ppm/°C; de referentie van 1,25 volt in de LTC2662 heeft een waarde van 10 ppm/°C. Ontwerpers kunnen de prestaties van de precisiereferenties binnen deze DAC's benutten om het behalen van hun systeembrede nauwkeurigheidsdoelstellingen te vereenvoudigen, aangezien de referenties ook beschikbaar zijn voor extern gebruik (met toegevoegde externe buffering).

De interne referenties, met respectievelijk 10 en 15 ppm/°C specificaties, zijn waarschijnlijk meer dan voldoende voor de meeste situaties. Gezien het brede bedrijfstemperatuurbereik van deze DAC's (−40 °C tot + 105 °C voor de AD5770R en −40 °C tot 125 °C voor de LTC2662) kunnen de referentiespanningstemperatuurgerelateerde excursies voor sommige situaties buitensporig zijn.

Beide DACS bieden een oplossing door te voorzien in het gebruik van een externe referentie samen met een interne buffer voor deze referentie. Als een kleinere tempco nodig is, een referentie met lage drift zoals de LTC6655 (2 ppm/°C temperatuurcoëfficiënt) is een alternatief. Het gebruik van zo'n krachtige externe referentie is niet triviaal: het vereist extra aandacht voor de lay-out van het bord, mechanische belasting, het productie-soldeertemperatuurprofiel en andere subtiliteiten die de gespecificeerde prestaties gemakkelijk in gevaar kunnen brengen.

5. Thermische dissipatie

Onthoud altijd dat deze DAC's stroom leveren aan belastingen in de vorm van gecontroleerde stromen. Daarom zijn IC-dissipatie en zelfopwarming problemen die moeten worden geanalyseerd om ervoor te zorgen dat de maximaal toegestane temperatuur van hun interne matrijs niet wordt overschreden. In de meeste gevallen is wat warmteafvoer via de printplaat nodig, waarbij de IC-soldeerballen als thermische leidingen worden gebruikt.

Thermische analyse begint met analyse van de piek per kanaal, gemiddelde stroomafgifte en bijbehorende dissipatie. Het gaat verder met het modelleren van het IC-naar-bord pad en de warmteafvoercapaciteit van het bord (d.w.z. aantal lagen, beschikbaar koperoppervlak en andere componenten die hetzelfde koellichaamgebied gebruiken). Het gegevensblad van de AD5770R (die werkt met een enkele voeding van 2,9 tot 5,5 volt) biedt een voorbeeldberekening die laat zien hoeveel vermogen wordt gedissipeerd bij één omgevingstemperatuur wanneer de meerdere uitgangen gespecificeerde stromen leveren; ontwerpers kunnen dit als leidraad gebruiken om een eerste analyse van hun specifieke situatie te geven.

Om onnodige dissipatie te beperken, biedt de LTC2662 een afzonderlijke voedingspen voor elk uitgangskanaal.  Elk kanaal kan onafhankelijk worden gevoed door een bron tussen 2,85 volt en 33 volt om de stroomdissipatie en nalevingsruimte van elk kanaal af te stemmen op een breed scala aan belastingen.

Het samenstellen

Ondanks hun conceptuele eenvoud, hebben DAC's met meerkanaals stroomoutput zoals de AD5770R en LTC2662 een groot aantal registers voor de besturing van basisfuncties zoals bereikinstelling, gegevens laden, teruglezen en vlagbits. Ze hebben ook veel fysieke verbindingen naast die nodig zijn voor hun SPI-bus en de DAC-uitgangen.

Om deze redenen kan een evaluatieboard zoals de DC2629A-A voor de LTC2662 en bijbehorende software tijd besparen en frustratie minimaliseren en tegelijkertijd de evaluatie van de prestaties van de DAC in real-world scenario's vergemakkelijken (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Een demonstratiecircuit en evaluatiebord zoals de DC2629A-A voor de LTC2662-stroombron DAC vereenvoudigt de connectiviteit en biedt gemakkelijke toegang tot de vele functies en kenmerken van multikanaals DAC's met stroomuitgang. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Ontworpen voor de 16-bit LTC2662, vereenvoudigt de kaart het maken van verbindingen met de DAC, evenals het evalueren van de optionele functies zoals het gebruik van een externe spanningsreferentie. Het demonstratiecircuit wordt via een USB-kabel verbonden met de computer van de gebruiker.

De beschikbare software biedt een GUI-bedieningspaneel voor het oefenen van de DAC en biedt gemakkelijke toegang tot alle kenmerken en functies (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Een via USB aangesloten computer met evaluatiesoftware en GUI is handig voor het instellen en oefenen van de vele registers en opties van de LTC2662 DAC - een proces dat integraal deel uitmaakt van de ontwerpinspanningen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Conclusie

Hoewel DAC's met stroomuitgang niet zo algemeen bekend zijn als hun tegenhangers voor spanninguitgangen, zijn ze onmisbaar voor vele toepassingen en belastingen in de echte wereld. Deze DAC's - vooral apparaten met een hogere uitgangsstroom, meerkanaals zoals de Analog Devices AD5770R en LTC2662 - bieden veel functies en gebruikersinstellingen waarmee ontwerpers hun pasvorm en prestaties in doeltoepassingen kunnen optimaliseren. Gebruikers die deze DACS en hun kenmerken begrijpen, zullen profiteren van hun mogelijkheden en functies.