Perché e come utilizzare i DAC in corrente per il controllo del pilotaggio di attuatori e circuiti chiusi

La diffusione dell'elettronica comporta la necessità crescente di convertitori digitale/analogico (DAC) per collegare i sistemi digitali con il mondo analogico. Anche se i progettisti conoscono molto bene i DAC tradizionali con uscita in tensione, molte applicazioni richiedono l'uso di DAC con uscita di corrente per fornire correnti ad alta risoluzione precise e stabili in termini di decine o centinaia di milliampere per controllare carichi resistivi, induttivi e reattivi a bassa impedenza.

Sebbene questi carichi possano essere pilotati in tensione, per questi trasduttori è più efficiente e preciso utilizzare una sorgente di corrente. Tuttavia, i DAC con uscita di corrente non sono delle semplici alternative drop-in ai DAC con uscita in tensione.

Questo articolo spiega brevemente perché i DAC con uscita di corrente rappresentino una soluzione valida e spesso obbligata. Illustra quindi l'uso efficace dei DAC con uscita di corrente servendosi di due circuiti integrati di Analog Devices: AD5770R a 14 bit e sei canali e LTC2662 a 16/12 bit e cinque canali.

DAC e ADC a confronto

I DAC sono il complemento funzionale dei convertitori analogico/digitale (ADC), ma presentano problematiche diverse. Il compito dell'ADC è quello di digitalizzare in continuo un segnale di ingresso casuale sconosciuto, nonostante il rumore esterno e interno, e inviare i risultati a un processore compatibile. Contrariamente all'ADC, l'ingresso al DAC segue un modello digitale ben preciso e vincolato dal processore, senza problemi di rapporto segnale/rumore (SNR), mentre l'uscita del DAC ha il difficile compito di pilotare carichi esterni, cosa che può essere complessa dal punto di vista elettrico.

DAC con uscita di corrente e uscita in tensione a confronto

Alcuni trasduttori e circuiti di controllo richiedono a un DAC una corrente controllata in modo preciso. Di queste applicazioni fanno parte bobine di altoparlanti, solenoidi e motori; impostazioni relative al controllo in sistemi industriali, scientifici e ottici a circuito aperto e chiuso; semplici resistenze di riscaldamento o sofisticati laser regolabili; eccitazione della sonda di apparecchiature di test automatico (ATE); corrente di precisione per la ricarica delle batterie e LED con dimmeraggio regolabile (Figura 1).

Figura 1: Un DAC con uscita di corrente è una buona scelta per applicazioni come i nodi di un amplificatore ottico, in cui controlla l'amplificatore, il laser regolabile e la sua resistenza di riscaldamento per la stabilizzazione della temperatura, illustrate qui con il DAC multicanale LT2662. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Spesso sono presenti carichi resistivi, induttivi o magnetici a bassa impedenza. Sebbene possano essere pilotati da una tensione, il rapporto tra tensione ed effetto di estremità è complesso e di solito non lineare. Di conseguenza, per questi tipi di trasduttori l'uso di una sorgente di corrente offre risultati più efficienti e precisi.

In genere, i progettisti hanno meno dimestichezza con i DAC con uscita di corrente per produrre una uscita ben definita. Un modo per trasformare un DAC convenzionale con uscita in tensione in un dispositivo con uscita di corrente è quello di aggiungere un amplificatore operazionale sull'uscita configurato come convertitore della tensione in corrente (V/I) (Figura 2).

Figura 2: Per trasformare una sorgente con uscita in tensione in un'uscita di corrente si può utilizzare un amplificatore operazionale (a sinistra) o un amplificatore operazionale in uscita con MOSFET di boost (a destra). L'implementazione potrebbe però non risultare conveniente o tecnicamente adeguata, rispetto a un progetto basato su un vero DAC come sorgente di corrente. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Tuttavia, questa realizzazione richiede un maggior numero di componenti attivi e passivi nella distinta base (BOM) e sulla scheda, inoltre l'amplificatore operazionale deve avere una buona capacità di erogazione/assorbimento della corrente, oppure dovrebbe essere potenziato da un MOSFET. Inoltre, è più difficile calcolare il budget di errore per la funzione di trasferimento digitale di uscita/ingresso della corrente attraverso l'intera gamma di uscita e temperatura, perché vi è un maggior numero sia di componenti attivi con specifiche indipendenti che di componenti passivi.

Come risolvere i problemi

La maggior parte dei DAC - sia con uscita di corrente che in tensione - è normalmente specificata sulla base della risoluzione e della velocità di aggiornamento. In genere, i DAC con uscita di corrente non vengono utilizzati per l'elaborazione/analisi dei segnali o per la generazione di forme d'onda. Inoltre, a causa della loro natura elettromeccanica o termica i loro carichi tipici di solito cambiano in modo relativamente lento. Pertanto, la risoluzione di questi DAC varia tra 12 e 16 bit con velocità di aggiornamento di decine o centinaia di kilocampioni al secondo (KS/s).

Tuttavia, al momento di scegliere o utilizzare DAC con uscita di corrente, occorre essere consapevoli che esistono alcuni problemi fondamentali che potrebbero non essere presenti nei DAC con uscita in tensione e che vanno risolti:

1. Tensione di conformità e tensione di dropout
2. Intervallo di pilotaggio della corrente e risoluzione (e aumento di entrambi)
3. Regimi transitori, inclusi reset all'accensione (POR) e glitch in uscita
4. Integrità dei dati del DAC e di uscita: precisione
5. Dissipazione termica

Esaminiamo più dettagliatamente questi problemi di progettazione, nel contesto di AD5770R e LTC2662.

1. Tensione di conformità e tensione di dropout

Oltre alle consuete specifiche di linearità e precisione, i DAC con uscita di corrente hanno due parametri che non sono presenti nei DAC con uscita in tensione: tensione di conformità e tensione di dropout.

La tensione di conformità è la tensione massima che una sorgente di corrente raggiunge quando tenta di produrre la corrente desiderata, una situazione elementare ma critica. La sorgente di corrente può alimentare il carico finché la tensione attraverso il carico stesso rientra nei limiti di progetto. Non può immettere la corrente nel carico senza applicare anche la tensione necessaria che viene sviluppata attraverso il carico. La sorgente regola la tensione di uscita per fornire al carico la quantità di corrente desiderata.

Ad esempio, per fornire 10 mA a un carico di 1 kΩ serve una tensione di conformità di almeno 10 V. Se questa caduta di tensione supera la tensione di conformità, il DAC non sarà in grado di erogare la corrente. Questa è la situazione speculare a quella in cui una sorgente di tensione non è in grado di fornire la propria tensione di alimentazione nominale quando la corrente assorbita dal carico supera la corrente nominale dell'alimentazione.

Prendiamo ad esempio un DAC (o qualsiasi sorgente di corrente) che pilota una stringa di 10 LED in serie, ognuno con una caduta di 1,5 V, a 20 mA di corrente. Se la sorgente non è in grado di alimentare questi 20 mA a 15 V c.c. (più un certo margine), non sarà in grado di fornire quella corrente, anche se può facilmente farlo a una tensione inferiore. Per i DAC con uscita di corrente, una tensione di conformità vicina al rail di alimentazione dello stadio di uscita del DAC massimizza l'intervallo del DAC.

Perché tutta questa dissertazione sulla tensione di conformità? Nonostante la sua natura di base (derivata da V = IR) è un'area spesso trascurata dagli ingegneri alle prime armi che si sono occupati solo delle sorgenti di tensione. Dopotutto, la prima domanda da porsi quando a un ingegnere viene detto che serve un'alimentazione a 12 V è "e con che livello di corrente?" La domanda corrispondente relativa alle sorgenti di corrente - "qual è la tensione di conformità?" - spesso non viene invece fatta.

La conformità di un DAC con uscita di corrente non è limitata dal suo rail di alimentazione. Ad esempio, in LTC2662 multicanale, ogni canale ha il proprio pin di alimentazione per assicurare che sia conforme alle esigenze di carico, riducendo al minimo la dissipazione di potenza complessiva.

I DAC con uscita di corrente hanno anche un limite di tensione di dropout. Si tratta della caduta di tensione minima richiesta nel DAC per mantenere la regolazione dell'uscita. E dipende dalla corrente di carico; più bassa è la tensione di dropout, più ampio è l'intervallo entro cui può funzionare il DAC. LTC2662 a cinque canali presenta uscite di sorgente di corrente ad alta conformità con un dropout garantito di 1 V a 200 mA (Figura 3).

Figura 3: La tensione di dropout di LTC2662 è inferiore a 1 V su tutto l'intervallo di alimentazione, assicurando un margine operativo sufficiente a tutti i valori di corrente erogata. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

2. Intervallo di pilotaggio della corrente e risoluzione (e aumento di entrambi)

Sono disponibili DAC con uscita di corrente con capacità di pilotaggio dell'uscita che arrivano a diverse centinaia di milliampere. Tenere presente che i DAC con uscita di corrente in genere sono progettati per l'erogazione della corrente, non per l'assorbimento. Tuttavia, qualora fosse richiesto il sinking, vi sono dei canali che possono occuparsene (con ulteriori restrizioni da rispettare).

I DAC multicanale e multi-intervallo offrono due vantaggi: consentono di sommare le uscite per una corrente complessiva più elevata e di avvalersi della corrispondenza ottimale della risoluzione di ogni canale in funzione dell'applicazione. In questo modo, la risoluzione effettiva viene massimizzata, invece di andare sprecata, utilizzando solo parte della gamma dinamica del DAC. È analogo all'utilizzo di un amplificatore a guadagno programmabile (PGA) all'ingresso di un ADC in modo che il segnale di ingresso venga scalato secondo l'ampiezza dell'ingresso dell'ADC. L'utilizzo di un intervallo di 14 bit, 100 mA con un DAC con uscita di corrente per pilotare da 0 a 25 mA fornirebbe solo 12 bit di risoluzione efficace, sprecando 2 bit.

È per questo che AD5770R e LTC2662 offrono intervalli diversi per le loro uscite multiple. Ad esempio, AD5770R contiene cinque canali sorgente di corrente a 14 bit e un canale source/drain a 14 bit (Figura 4).

Figura 4: AD5770R di Analog Devices è un DAC con uscita di corrente a 14 bit e sei canali che ha tra le sue numerose caratteristiche e funzioni un riferimento su chip e un'interfaccia periferica seriale (SPI). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I canali sono disposti come segue:

Canale 0: 0 ~ 300 mA, -60 ~ +300 mA, -60 ~ 0 mA

Canale 1: 0 ~ 140 mA, 0 ~ 250 mA

Canale 2: 0 ~ 55 mA, 0 ~ 150 mA

Canale 3, Canale 4, Canale 5: 0 ~ 45 mA, 0 ~ 100 mA

Questa disposizione offre numerosi vantaggi di pilotaggio che servono a molteplici scopi:

• Offre una soluzione semplice per aumentare la corrente di comando massima
• Usando gli intervalli di uscita massima più piccoli ma con la stessa risoluzione si ottengono valori di mA/passo più piccoli e più precisi
• Permette di combinare le uscite per ottenere una risoluzione grossolana/fine

Per quanto riguarda il primo punto, queste sorgenti di corrente possono essere semplicemente messe in parallelo. Ad esempio, il Canale 1 di AD5770R (250 mA) e il Canale 2 (150 mA) vengono sommati per fornire un pilotaggio aggregato di 400 mA (Figura 5). Ovviamente, esistono degli accorgimenti che un progettista non può ignorare: la tensione di conformità deve essere compresa nell'intervallo specificato nella scheda tecnica e la tensione di uscita deve rimanere entro i valori nominali massimi assoluti specificati anch'essi nella scheda tecnica.

Figura 5: Erogare più corrente con questi DAC è semplice perché è possibile combinarne le uscite in parallelo. Qui, una sorgente di 250 mA e una di 150 mA erogano fino a 400 mA di corrente completamente e facilmente controllabile. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Analogamente, LTC2662 a cinque canali ha otto intervalli di corrente, programmabili per ogni canale, con uscite a fondo scala fino a 300 mA, 200 mA, 100 mA, 50 mA, 25 mA, 12,5 mA, 6,25 mA e 3,125 mA che possono essere combinate per ottenere una corrente massima di 1,5 A.

Il collegamento in parallelo delle uscite offre anche un modo semplice per migliorare la risoluzione complessiva attorno al valore di uscita nominale desiderato, usando impostazioni grossolane e fini (il terzo e ultimo punto dell'elenco precedente). Utilizzando un'uscita ad ampio intervallo in parallelo con un'altra con un intervallo più piccolo, il canale precedente funge da impostazione grossolana mentre l'ultimo funge da impostazione fine, fornendo in tal modo una risoluzione che va oltre i 12/16 bit nominali di ogni canale (pur dovendo utilizzare due dei cinque canali).

3. Regimi transitori, inclusi reset all'accensione (POR) e glitch in uscita

In molte applicazioni, l'uscita del DAC all'accensione (chiamata reset all'accensione o POR) è motivo di preoccupazione, perché il processore (e il suo software) non sono in grado di inizializzare il DAC immediatamente. Anche se il codice del processore rende prioritaria l'inizializzazione del DAC, il processore con i suoi molteplici rail di alimentazione c.c. potrebbe richiedere tempi di avvio più lunghi rispetto a un DAC molto più semplice.

Questi tempi diversi di avvio del processore/DAC potrebbero causare un'uscita del DAC inaccettabile, ad esempio, se il DAC sta controllando un elemento in movimento. Pertanto, è importante avere uno stato noto al POR per i canali del DAC. È per questo motivo che le uscite di LTC2662 si ripristinano a uno stato di alta impedenza all'accensione, rendendo omogenea e ripetibile l'inizializzazione del sistema. AD5770R ha un pin di RESET asincrono che può essere pilotato da un timer hardware o un blocco di reset. Impostando il pin su logico basso per almeno 10 nanosecondi, tutti i registri vengono reimpostati sui valori predefiniti.

Anche i glitch di transizione in uscita possono essere un problema. Quando i nuovi bit del nuovo pattern di codice che vengono caricati in un DAC hanno temporizzazioni diverse fra loro, il DAC fornirà una falsa uscita nel periodo di transizione tra la vecchia e la nuova impostazione. Come per il POR, potrebbe essere una situazione inaccettabile. Per evitarla, sia LT2662 che AD5770 eseguono un doppio buffer dei dati che vengono caricati nei DAC. Tutti i bit di dati per uno o più canali possono essere scritti nei rispettivi registri di ingresso senza modificare le uscite del DAC. Dopo di che, un singolo comando "load DAC" inviato al dispositivo trasferisce il contenuto del registro di ingresso nei registri del DAC, aggiornando l'uscita del DAC senza glitch.

4. Integrità dei dati del DAC e di uscita: precisione

Molti di questi DAC vengono utilizzati in applicazioni con elementi mobili e meccanici. Di conseguenza, potrebbe essere necessario verificare le prestazioni del DAC. Occorre fare attenzione sia ai contenuti digitali di un DAC sia al suo valore effettivo di uscita di corrente.

DAC avanzati come AD5770R e LTC2662 offrono numerose soluzioni al problema dell'integrità: lettura a ritroso dei dati, conferma dell'integrità dei dati basata su CRC (controllo a ridondanza ciclica) e misurazione indiretta della corrente di uscita. Le prime due forniscono la conferma dei dati inviati e archiviati nel DAC; la terza monitora la corrente prodotta dal DAC.

La lettura a ritroso dei dati di base richiede l'intervento del processore e comporta un certo carico per la CPU poiché il software deve avviare la lettura a ritroso e confrontare il suo valore con quello inviato originale. La funzione CRC integrata in AD5770R non aggiunge invece alcun carico. AD5770R esegue periodicamente un'operazione CRC in background sui suoi registri dei dati su chip per garantire che i bit di memoria non siano danneggiati. Se riscontra un errore di dati, imposta un bit di flag allarme in un registro di stato.

Come test definitivo per avere la certezza delle prestazioni del DAC, misurare la corrente di uscita e il valore della tensione di conformità. Sia AD5770R che LTC2662 includono funzioni diagnostiche che consentono all'utente di monitorare questi parametri tramite tensioni multiple che rappresentano i loro valori. L'utente può scegliere la tensione da indirizzare all'uscita del multiplatore in modo che possa essere misurata tramite un ADC esterno. Per AD5770R, questo monitoraggio della corrente è preciso entro il 10% dell'intervallo di uscita a fondo scala, sufficiente per visualizzare errori grossolani e guasti. Se al progettista serve una migliore precisione di monitoraggio dell'uscita, si può calibrare la lettura.

La precisione assoluta dell'uscita del DAC dipende in larga misura dalle prestazioni del suo riferimento di tensione, oltre che da alcuni resistori di precisione interni. AD5770R include un riferimento a 1,25 V con un coefficiente di temperatura massima ("tempco") di 15 ppm/°C; il riferimento di 1,25 V in LTC2662 ha un valore di 10 ppm/°C. I progettisti possono sfruttare le prestazioni dei riferimenti di precisione all'interno di questi DAC per poter raggiungere più facilmente gli obiettivi di precisione del sistema, in quanto i riferimenti sono disponibili anche per uso esterno (con aggiunta di buffering esterno).

I riferimenti interni, rispettivamente con le specifiche di 10 e 15 ppm/°C, sono probabilmente più che adeguati per la maggior parte delle situazioni. Tuttavia, dato l'ampio intervallo di temperature di funzionamento di questi DAC (-40 ~ +105 °C per AD5770R e -40 ~ +125 °C per LTC2662), per alcune situazioni le escursioni relative alla temperatura della tensione di riferimento possono essere eccessive.

Entrambi i DAC offrono una soluzione prevedendo l'uso di un riferimento esterno insieme al relativo buffer interno. Se serve un "tempco" più piccolo, un'alternativa possibile è un riferimento a bassa deriva come LTC6655 (coefficiente di temperatura di 2 ppm/°C). L'utilizzo di un riferimento esterno ad alte prestazioni di questo tipo non è semplice: richiede un'attenzione particolare al layout della scheda, alle sollecitazioni meccaniche, al profilo della temperatura di saldatura di produzione e ad altre sottigliezze che possono facilmente compromettere le prestazioni specificate.

5. Dissipazione termica

Tenere sempre presente che questi DAC alimentano i carichi sotto forma di correnti controllate. Pertanto, la dissipazione e l'autoriscaldamento di un circuito integrato sono problemi che devono essere analizzati per avere la certezza che non venga superata la temperatura massima consentita del loro die interno. Nella maggior parte dei casi, sarà richiesta una certa dissipazione di calore tramite la scheda, utilizzando le sfere di saldatura del circuito stampato come canaline termiche.

L'analisi termica inizia con l'analisi del picco per canale, dell'erogazione media di corrente e della relativa dissipazione. Prosegue con la modellazione del percorso dal circuito integrato alla scheda e con la capacità di dissipazione del calore della scheda (ovvero numero di strati, area di rame disponibile e altri componenti che utilizzano la stessa area del dissipatore di calore). La scheda tecnica di AD5770R (che funziona da una singola alimentazione da 2,9 a 5,5 V) offre un calcolo di esempio che mostra la potenza dissipata a una temperatura ambiente quando le uscite multiple forniscono le correnti specificate. I progettisti possono utilizzarlo come guida per effettuare un'analisi iniziale della loro specifica situazione.

Per limitare un'inutile dissipazione, LTC2662 fornisce un pin di alimentazione separato per ogni canale di uscita. Ogni canale può essere alimentato in modo indipendente da una sorgente tra 2,85 e 33 V per regolare la dissipazione di potenza di ogni canale e il margine di conformità per un'ampia gamma di carichi.

Assemblaggio di tutti i componenti

Nonostante la loro semplicità concettuale, DAC multicanale con uscita di corrente come AD5770R e LTC2662 dispongono di un numero elevato di registri per il controllo di funzioni di base come l'impostazione dell'intervallo, il caricamento dei dati, la lettura a ritroso e i bit di flag. Hanno anche molte connessioni fisiche, oltre a quelle richieste per il loro bus SPI e le uscite del DAC.

Per questi motivi, una scheda di valutazione come DC2629A-A per LTC2662 e il relativo software, possono far risparmiare tempo e ridurre le frustrazioni facilitando al contempo la valutazione delle prestazioni del DAC in scenari del mondo reale (Figura 6).

Figura 6: Un circuito di dimostrazione e una scheda di valutazione come DC2629A-A per il DAC sorgente di corrente LTC2662 semplificano la connettività e consentono un accesso immediato alle numerose funzioni e caratteristiche dei DAC multicanale con uscita di corrente. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Progettata per LTC2662 a 16 bit, la scheda semplifica le connessioni al DAC, oltre alla valutazione delle sue caratteristiche opzionali come l'uso di un riferimento di tensione esterno. Il circuito di dimostrazione si collega al computer dell'utente tramite un cavo USB.

Il software disponibile fornisce un pannello di controllo della GUI per fare prove sul DAC e consente di accedere facilmente a tutte le sue caratteristiche e funzioni (Figura 7).

Figura 7: Un computer collegato a USB con software di valutazione e GUI è utile per impostare e fare prove con i numerosi registri e le diverse opzioni del DAC LTC2662. Questo processo è parte integrante del lavoro di design-in. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Conclusione

Sebbene i DAC con uscita di corrente non siano noti come le loro controparti con uscita in tensione, sono indispensabili per molte applicazioni e carichi del mondo reale. Questi DAC, specie i dispositivi multicanale e con corrente in uscita superiore come AD5770R e LTC2662 di Analog Devices, offrono molte funzionalità e impostazioni utente che consentono ai progettisti di ottimizzarne inserimento e prestazioni nelle applicazioni di destinazione. Gli utenti che sanno come funzionano questi DAC e ne conoscono le caratteristiche potranno avvantaggiarsi dalle loro capacità e funzioni.