Por qué y cómo usar los DAC actuales para el accionamiento del actuador y el bucle de control cerrado

Con el uso generalizado de la electrónica viene la creciente necesidad de que los convertidores de digital a analógico (DAC) conecten los sistemas digitales con el mundo analógico para efectuar el cambio. Si bien los diseñadores están familiarizados con los DAC con salida de voltaje convencionales, muchas aplicaciones requieren el uso de DAC con salida de corriente para entregar corrientes de alta resolución precisas, estables, en decenas o cientos de miliamperios a fin de controlar las cargas resistivas, inductivas y reactivas de baja impedancia.

Aunque tales cargas pueden ser impulsadas por voltaje, es más eficiente y preciso usar una fuente de corriente, o controlador, para estos transductores. Sin embargo, los DAC con salida de corriente no son simples reemplazos "directos" para los DAC con salida de voltaje.

Este artículo ofrece una breve descripción de por qué los DAC con salida de corriente son una solución buena y, a menudo, obligatoria. Posteriormente, se centra en el uso eficaz de los DAC con salida de corriente que utilizan dos circuitos integrados (CI) de Analog Devices: AD5770R de seis canales y 14 bits y LTC2662de cinco canales y 16/12 bits.

DAC contra ADC

Los DAC son el complemento funcional de los convertidores de analógico a digital (ADC), pero tienen un conjunto de desafíos muy diferente. Para el ADC, el objetivo es digitalizar continuamente una señal de entrada aleatoria desconocida a pesar del ruido externo e interno y entregar los resultados a un procesador compatible. En contraste con el ADC, la entrada al DAC es un patrón digital bien educado y acotado del procesador sin problemas de relación señal/ruido (SNR), mientras que la salida del DAC enfrenta el desafío de impulsar cargas externas, que puede ser eléctricamente complicado.

DAC con salida de corriente contra DAC con salida de voltaje

Algunos transductores y bucles de control requieren una corriente controlada con precisión desde un DAC. Tales aplicaciones incluyen bobinas de altavoces, solenoides y motores; configuraciones relacionadas con el control en sistemas industriales, científicos y ópticos de circuito abierto y cerrado; calentadores resistivos básicos o láseres sintonizables sofisticados; equipo automático de prueba (ATE), estimulación de sonda; corriente de precisión para la carga de baterías y LED con atenuación regulable (Figura 1).

Figura 1: Un DAC con salida de corriente se adapta favorablemente a aplicaciones tales como nodos de amplificadores ópticos donde se controla el amplificador óptico, el láser sintonizable y el calentador de estabilización de la temperatura del láser, que se muestra aquí con el DAC multicanal LT2662. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

A menudo se trata de cargas resistivas, inductivas y magnéticas de baja impedancia. Aunque estas cargas pueden ser impulsadas por un voltaje, la relación entre el voltaje y el efecto final será compleja y generalmente no lineal. Como resultado, es más eficiente y preciso usar una fuente de corriente para estos tipos de transductores.

En general, los diseñadores pueden estar menos familiarizados con el uso de DAC con salida de corriente para producir una salida bien definida. Una forma de transformar un DAC con salida de voltaje convencional en un dispositivo con salida de corriente es agregar un amplificador operacional de salida configurado como un convertidor de voltaje a corriente (V/I) (Figura 2).

Figura 2: Se puede usar un amplificador operacional (izquierda), o un amplificador operacional con refuerzo de salida MOSFET (derecha), para transformar una fuente de salida de voltaje en una salida de corriente, pero el resultado puede no ser tan conveniente de implementar o técnicamente adecuado en comparación con un diseño basado en un DAC con verdadera fuente de corriente. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Sin embargo, hacer esto requiere de componentes más activos y pasivos en la lista de materiales (BOM), y la placa de CI y el amplificador operacional deben tener una buena capacidad de aprovisionamiento/hundimiento actual, o bien debería ser impulsado por un MOSFET. Además, es más difícil calcular el presupuesto de error para la función de transferencia de entrada digital/salida de corriente en todo el rango de salida y temperatura, ya que hay componentes más activos con especificaciones independientes, así como componentes pasivos.

Trabajar en resolver los problemas

Ya sean dispositivos de salida de corriente o de voltaje, la mayoría de los DAC se definen inicialmente por su resolución y velocidad de actualización. En general, los DAC con salida de corriente no se utilizan para el procesamiento o análisis de señales ni la generación de formas de onda. Además, sus cargas típicas suelen ser relativamente lentas debido a su naturaleza electromecánica o térmica. Por lo tanto, la resolución de estos DAC oscila entre 12 y 16 bits con velocidades de actualización en decenas o cientos de kilosamples por segundo (KS/s).

No obstante, al seleccionar o utilizar DAC con salida de corriente, los usuarios deben conocer y abordar algunos problemas clave que pueden no estar presentes en los DAC con salida de voltaje:

1. Voltaje de cumplimiento y voltaje de caída
2. Alcance y resolución del controlador actual (y el aumento de ambos)
3. Condiciones transitorias, incluidos el encendido y reinicio (POR) y fallos de salida
4. Integridad de salida y datos del DAC; exactitud
5. Disipación térmica

Veamos estos problemas de diseño con más detalle, en el contexto de AD5770R y LTC2662.

1. Voltaje de cumplimiento y voltaje de caída

Además de las especificaciones de DAC habituales de linealidad y precisión, los DAC con salida de corriente tienen dos parámetros que no se ven en los DAC con salida de voltaje: voltaje de cumplimiento y voltaje de caída.

El voltaje de cumplimiento es el voltaje máximo que alcanzará una fuente de corriente cuando intente producir la corriente deseada, una situación elemental pero crítica. La fuente de corriente puede suministrar la carga siempre que el voltaje a través de la carga esté dentro de los límites de diseño; no puede conducir la corriente a la carga sin aplicar también el voltaje requerido, que se desarrolla a través de la carga. La fuente ajusta el voltaje de salida para proporcionar la cantidad deseada de corriente a la carga.

Por ejemplo, suministrar 10 miliamperios (mA) a una carga de 1 kiloohmio (kΩ) requiere un voltaje de cumplimiento de al menos 10 voltios. Si esta caída de voltaje excede el voltaje de cumplimiento, el DAC no podrá generar la corriente. Esta es la situación complementaria de una fuente de voltaje que no puede entregar su voltaje de suministro nominal cuando la corriente consumida por la carga aumenta más allá de la capacidad de corriente del suministro.

Considere un DAC (o cualquier fuente de corriente) que maneje una serie de 10 LED, cada uno con una caída de 1.5 voltios, a una corriente de 20 mA. Si la fuente no puede proporcionar estos 20 mA a 15 voltios de CC (más algún margen de sobrecarga), no podrá suministrar esa corriente, aunque puede hacerlo fácilmente a un voltaje más bajo. Para los DAC con salida de corriente, un voltaje de cumplimiento que esté cerca del riel de suministro de la etapa de salida del DAC maximiza el rango de este.

¿Por qué toda esta discusión sobre el voltaje de cumplimiento? A pesar de su naturaleza básica (derivada de V = IR), es un área que a menudo pasan por alto los ingenieros novatos que solo han tratado con fuentes de voltaje. Después de todo, la primera pregunta que se hace un ingeniero cuando se le dice que se necesita un suministro de 12 voltios es "¿y a cuánta corriente?". Sin embargo, la pregunta correspondiente con respecto a las fuentes de corriente (“¿cuál es el voltaje de cumplimiento?”) a menudo no se hace.

El cumplimiento de un DAC con salida de corriente no está limitado por el propio riel de suministro de este. Por ejemplo, en el LTC2662 de canal múltiple, cada canal tiene su propio pin de suministro para permitir la adaptación de cumplimiento de cada canal a las necesidades de carga al tiempo que minimiza la disipación general de potencia.

Los DAC con salida de corriente también tienen un límite de voltaje de caída. Esta es la caída de voltaje mínima requerida en todo el DAC para mantener la regulación de salida. Es una función de corriente de carga; cuanto más bajo es el voltaje de caída, más amplio es el rango sobre el cual puede funcionar el DAC. El LTC2662 de cinco canales cuenta con salidas de fuente de corriente de alto cumplimiento con una caída garantizada de 1 voltio a 200 mA (Figura 3).

Figura 3: El voltaje de caída del LTC2662 está por debajo de 1 voltio en todo el rango de suministro, lo que garantiza un margen de sobrecarga de operación suficiente en todos los valores de la corriente de origen. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

2. Alcance y resolución del controlador actual (y el aumento de ambos)

Los DAC con salida de corriente están disponibles con capacidades de controlador de salida que van hasta varios cientos de miliamperios. Tenga en cuenta que los DAC con salida de corriente generalmente están diseñados para generar, no para disipar, la corriente; sin embargo, si se requiere disipar la corriente, hay canales disponibles que pueden hacer esto (junto con restricciones adicionales que deben observarse).

Los DAC de múltiples canales y múltiples rangos proporcionan dos atributos: permiten sumar las salidas para obtener una corriente general más alta, junto con una adaptación óptima de la resolución de cada canal a la aplicación. De esta manera, la resolución efectiva se maximiza en lugar de desperdiciarse al utilizar solo una parte del rango dinámico del DAC. Es comparable a usar un amplificador de ganancia programable (PGA) en la entrada de un ADC para que la señal de entrada se ajuste a su intervalo de entrada. El uso de un rango de 100 mA de 14 bits con un DAC con salida de corriente para una unidad de 0 a 25 mA proporcionaría solo 12 bits de resolución efectiva, desperdiciando 2 bits.

Por esta razón, el AD5770R y el LTC2662 ofrecen diferentes intervalos para sus múltiples salidas. Por ejemplo, el AD5770R contiene cinco canales de fuente de corriente de 14 bits y un canal de fuente/disipador de 14 bits (Figura 4).

Figura 4: El AD5770R de Analog Devices es un DAC de seis canales, 14 bits, con salida de corriente con una referencia en el chip y una Interfaz Periférica Serial (SPI), entre muchas otras características y funciones. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Los canales están dispuestos de la siguiente manera:

Canal 0: 0 mA a 300 mA, −60 mA a +300 mA, −60 mA a 0 mA

Canal 1: 0 mA a 140 mA, 0 mA a 250 mA

Canal 2: 0 mA a 55 mA, 0 mA a 150 mA

Canal 3, Canal 4, Canal 5: 0 mA a 45 mA, 0 mA a 100 mA

Este arreglo ofrece una variedad de beneficios para el accionamiento que sirven para múltiples propósitos:

• Ofrece una solución fácil para aumentar la corriente de accionamiento máxima.
• El uso de los rangos de salida máximos más pequeños pero con la misma resolución da como resultado valores de tamaño de paso/mA más pequeños y más precisos.
• Permite combinar salidas para obtener una resolución baja o buena.

En cuanto al primer punto, estas fuentes actuales pueden ser simplemente paralelas. Por ejemplo, el canal 1 de AD5770R (250 mA) y el canal 2 (150 mA) se suman para proporcionar accionamiento agregado de 400 mA (Figura 5). Por supuesto, hay advertencias que un diseñador no puede ignorar: el voltaje de cumplimiento debe estar dentro del rango especificado en la hoja de datos y el voltaje de salida debe permanecer dentro de los valores máximos absolutos también especificados en la hoja de datos.

Figura 5: Entregar más corriente con estos DAC es simple, ya que sus salidas se pueden combinar en paralelo; aquí, una fuente de 250 mA y una fuente de 150 mA entregan hasta 400 mA de corriente total y fácilmente controlable. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

De manera similar, el LTC2662 de cinco canales tiene ocho rangos de corriente, programables por canal, con salidas a escala completa de hasta 300 mA, 200 mA, 100 mA, 50 mA, 25 mA, 12.5 mA, 6.25 mA y 3.125 mA; todos estos pueden combinarse para una corriente máxima de 1.5 A.

Las salidas en paralelo también ofrecen una manera fácil de mejorar la resolución general en torno a un valor de salida nominal deseado mediante el uso de configuraciones precisas y aproximadas (el tercer y último punto de la lista anterior). Al usar una salida de rango amplio en paralelo con otra salida de rango más pequeño, el primer canal funciona como una configuración aproximada, mientras que el segundo canal actúa como una configuración precisa, proporcionando así una resolución superior a la clasificación de 12/16 bits de cada canal (a un costo de usar dos de los cinco canales).

3. Condiciones transitorias que incluyen fallos de encendido y reinicio (POR) y fallos de salida

En muchas aplicaciones, la salida del DAC en el encendido (llamado encendido-reinicio o POR) es una preocupación, ya que el procesador (y su software) no pueden inicializar el DAC instantáneamente. Incluso si el código del procesador hace que la inicialización del DAC sea una prioridad, el procesador con sus múltiples rieles de alimentación de CC puede tardar más en arrancar que lo que requiere el DAC, que es mucho más simple.

Este diferencial de tiempo de inicio del procesador o el DAC podría dar lugar a una salida de DAC inaceptable, por ejemplo, si el DAC controla un elemento en movimiento. Por lo tanto, es importante tener un estado en POR conocido para los canales DAC. Por este motivo, las salidas del LTC2662 se restablecen a un estado de alta impedancia en el encendido, lo que hace que la inicialización del sistema sea consistente y repetible. El AD5770R tiene un pin de RESET asíncrono que puede ser accionado por un temporizador de hardware o un bloqueo de reinicio; al establecer el pin a la lógica baja durante al menos 10 nanosegundos (ns), se restablecen todos los registros a sus valores predeterminados.

Los problemas de transición de salida también pueden ser una preocupación. Cuando los nuevos bits del nuevo patrón de código que se está cargando en un DAC tienen sesgo de tiempo entre sí, el DAC proporcionará una salida falsa en el período de transición entre la configuración anterior y la nueva configuración; como con POR y esto puede ser inaceptable. Para evitar esto, tanto el LT2662 como el AD5770 de doble datos del búfer se cargan en los DAC. Todos los bits de datos para uno o varios canales se pueden escribir en los registros de entrada respectivos sin cambiar las salidas DAC. Luego, un solo comando de "carga DAC" emitido al dispositivo transfiere el contenido del registro de entrada a los registros DAC, actualizando la salida DAC sin fallos.

4. Integridad de salida y datos del DAC; exactitud

Muchos de estos DAC se utilizan en aplicaciones con elementos móviles y mecánicos, por lo que puede ser necesario verificar el rendimiento de este. Esto requiere atención tanto al contenido digital de un DAC como a su valor de salida actual real.

Los DAC avanzados, como el AD5770R y el LTC2662, ofrecen múltiples soluciones al problema de la integridad: lectura de datos, comprobación de integridad de datos basada en el control de redundancia cíclica interna (CRC) y medición de corriente de salida indirecta. Los dos primeros elementos proporcionan una confirmación de los datos enviados y almacenados en el DAC; el tercero supervisa la corriente producida por este.

La lectura básica de datos requiere una acción del procesador e incurre en cierta carga de la unidad central de procesamiento (CPU), ya que el software debe iniciar la lectura y comparar su valor con el valor original enviado. Sin embargo, la función CRC incorporada en el AD5770R no agrega carga. El AD5770R realiza periódicamente una operación CRC de fondo en sus registros de datos en el chip para garantizar que los bits de memoria no estén dañados. Si determina que hay un error de datos, establece un bit de alarma indicadora en un registro de estado.

La prueba definitiva para garantizar la confianza en el rendimiento del DAC es medir su corriente de salida, así como el valor del voltaje de cumplimiento. Tanto el AD5770R como el LTC2662 incluyen características de diagnóstico que permiten al usuario supervisar esos parámetros a través de voltajes multiplexados que son representativos de sus valores. El usuario puede seleccionar qué voltaje dirigir a la salida del multiplexor para que se pueda medir con un ADC externo. Para el AD5770R, esta supervisión actual es precisa dentro del 10 % del rango de salida de escala completa, que es suficiente para detectar errores y fallas graves. Si el diseñador necesita una mejor precisión de supervisión de la salida, la lectura se puede calibrar.

La precisión absoluta de la salida del DAC depende en gran medida del rendimiento de su referencia de voltaje, más algunas resistencias de precisión internas. El AD5770R incluye una referencia de 1.25 voltios con un coeficiente de temperatura máximo (o "tempco") de 15 ppm/° C; La referencia de 1.25 voltios en el LTC2662 tiene un valor de 10 ppm/°C. Los diseñadores pueden aprovechar el rendimiento de las referencias de precisión dentro de estos DAC para simplificar el logro de sus objetivos de precisión en todo el sistema, ya que las referencias también están disponibles para uso externo (con un búfer externo adicional).

Las referencias internas, con especificaciones de 10 y 15 ppm/°C respectivamente, son probablemente más que adecuadas para la mayoría de las situaciones. Sin embargo, dado el amplio rango de temperatura de funcionamiento de estos DAC (−40 °C a + 105 °C para el AD5770R y −40 °C a 125 °C para el LTC2662), las variaciones relacionadas con la temperatura de voltaje de referencia pueden ser excesivas para algunas situaciones.

Ambos DAC ofrecen una solución al proporcionar el uso de una referencia externa junto con un búfer interno para esta referencia. Si se necesita un tempco más pequeño, una referencia de baja deriva, como el LTC6655 (coeficiente de temperatura de 2 ppm/°C) es una alternativa. El uso de una referencia externa de alto rendimiento no es trivial: requiere una atención especial al diseño de la placa, la tensión mecánica, el perfil de temperatura de soldadura de producción y otras sutilezas que pueden comprometer fácilmente su rendimiento especificado.

5. Disipación térmica

Recuerde siempre que estos DAC están entregando energía a las cargas en forma de corrientes controladas. Por lo tanto, la disipación de CI y el autocalentamiento son problemas que deben analizarse para garantizar que no se supere la temperatura máxima permitida de su molde interno. En la mayoría de los casos, se necesitará disipar el calor a través de la placa de CI, utilizando las bolas de soldadura CI como conductos térmicos.

El análisis térmico comienza con el análisis del pico por canal, el suministro de corriente promedio y la disipación asociada. Continúa con el modelado de la trayectoria de CI a placa y la capacidad de disipación de calor de la placa (es decir, la cantidad de capas, el área de cobre disponible y otros componentes que utilizan la misma área del disipador térmico). La hoja de datos del AD5770R (que funciona con un solo suministro de 2.9 a 5.5 voltios) ofrece un cálculo de muestra que indica cuánta potencia se disipa a una temperatura ambiente cuando las múltiples salidas proporcionan corrientes específicas; los diseñadores pueden usar esto como una guía para proporcionar un análisis inicial de su situación específica.

Para limitar la disipación innecesaria, el LTC2662 proporciona un pin de suministro separado para cada canal de salida. Cada canal se puede alimentar de manera independiente desde una fuente de entre 2.85 voltios y 33 voltios para ajustar la disipación de potencia de cada canal y el margen de sobrecarga de cumplimiento para una amplia gama de cargas.

Ensamblar las piezas

A pesar de su simplicidad conceptual, los DAC multicanal con salida de corriente, como el AD5770R y el LTC2662, tienen un gran número de registros para el control de funciones básicas como la configuración de rango, la carga de datos, la lectura y los bits indicadores. También tienen muchas conexiones físicas además de las requeridas para su bus de interfaz periférica serial (SPI) y las salidas DAC.

Por estas razones, una placa de evaluación como la DC2629A-A para el LTC2662 y el software asociado puede ahorrar tiempo y minimizar la frustración mientras facilita la evaluación del desempeño del DAC en escenarios reales (Figura 6).

Figura 6: Un circuito de demostración y una placa de evaluación como el DC2629A-A para el DAC de la fuente de corriente LTC2662 simplifican la conectividad y permite un acceso rápido a las muchas funciones y características de los DAC con salida de corriente multicanal. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Diseñada para el LTC2662 de 16 bits, la placa simplifica las conexiones con el DAC, así como la evaluación de sus características opcionales, como el uso de una referencia de voltaje externo. El circuito de demostración se conecta a la computadora del usuario a través de un cable USB.

El software disponible proporciona un panel de control de GUI para ejercitar el DAC y proporciona un acceso fácil a todas sus características y funciones (Figura 7).

Figura 7: Una computadora conectada por USB con un software de evaluación y GUI es útil para configurar y ejercitar los muchos registros y opciones del DAC LTC2662, un proceso que es parte integral del esfuerzo de diseño. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Conclusión

Aunque los DAC con salida de corriente no son tan conocidos como sus contrapartes con salida de voltaje, son indispensables para muchas aplicaciones y cargas del mundo real. Estos DAC, especialmente los dispositivos multicanal de corriente de salida más alta, como AD5770R y LTC2662 de Analog Devices, ofrecen muchas características y configuraciones de usuario que permiten a los diseñadores optimizar su ajuste y rendimiento en las aplicaciones de destino. Los usuarios que entienden estos DAC y sus características se beneficiarán de sus capacidades y funciones.