增益誤差問題

培訓(xùn)中經(jīng)常遇到的一個問題是：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，在什么樣的分辨率下使用分立電壓基準(zhǔn)? 初學(xué)者通常建議10位至12位轉(zhuǎn)換器采用外部基準(zhǔn)。聽起來似乎正確，但問題本身存在一定假象，正確的回答應(yīng)當(dāng)是分辨率與精度是兩個概念。一般意義上，大家很容易理解：高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的精度高于低分辨率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。但這一答案并不完善，利用低分辨率轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)在配合使用精密的電壓基準(zhǔn)、校準(zhǔn)，或者二者兼用的情況下仍然可以獲得高精度。

影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)精度的因素有很多，其中最重要的是增益誤差。對于DAC，增益誤差定義為不考慮失調(diào)誤差時最大碼值處的實際結(jié)果與理想值的偏差，如圖1所示。ADC的定義類似。



圖1. 增益和失調(diào)誤差

數(shù)字校準(zhǔn)增益誤差

增益誤差是由模擬信號鏈路的非理想增益和電壓基準(zhǔn)的誤差造成的。這個誤差可以通過數(shù)字化方式進(jìn)行校準(zhǔn)。但是，數(shù)字校準(zhǔn)要求系統(tǒng)使用高分辨率轉(zhuǎn)換器，這會增加系統(tǒng)成本。

以下示例解釋了這種數(shù)字校準(zhǔn)方法。系統(tǒng)采用理想的DAC和非理想模擬輸出放大器建模(圖2)。簡單起見，假設(shè)DAC分辨率只有4位。



圖2. 數(shù)字增益校準(zhǔn)系統(tǒng)

首先考慮理想狀態(tài)下系統(tǒng)增益誤差為零，AV = 1。當(dāng)DAC輸入碼增大時，輸出電壓相應(yīng)于2.5V (VREF = 2.5V)開始增加。雖然該示例有些極端，但為了使?fàn)顟B(tài)更真實，假設(shè)增益AV達(dá)到1.1 (增益誤差 = 10%)。如果繼續(xù)增大輸出電壓，碼值將保持在15，此時的VOUT = 2.75V。我們可以通過查找表或在數(shù)字域采取某種算法修改DAC碼值，實現(xiàn)數(shù)字化校準(zhǔn)。為了將1.1倍增益校準(zhǔn)到1.0倍增益，需要乘以：1/1.1 = 0.909 (圖3)。圖中給出了理想的未校準(zhǔn)和已校準(zhǔn)系統(tǒng)的特性曲線。



圖3. 數(shù)字化校準(zhǔn)DAC系統(tǒng)

圖3顯示了一個理想DAC的特性和一個未經(jīng)校準(zhǔn)、增益誤差為+10%的系統(tǒng)特性。通過調(diào)整DAC碼值，可以修正+10%的增益誤差。但是，從校準(zhǔn)碼和微分非線性可以很容易發(fā)現(xiàn)這種方法存在的一個問題。開始時，DAC碼值正常遞增，具有一個固定的正DNL。INL逐漸增大直到達(dá)到0.5 LSB INL，此時在輸入碼值從5增加到6時校準(zhǔn)碼沒有遞增。通過進(jìn)一步觀察可以看出，無論是否采取校準(zhǔn)，INL將一直增大到0.5 LSB，直到INL被修正到1 LSB為止。DNL在某些點達(dá)到了±1 LSB。為了解決上述問題必須提高DAC的分辨率。

這種情況下數(shù)字校準(zhǔn)增益誤差非常有效，事實上，Maxim的幾款器件也都采用了這項技術(shù)，包括MAX5774。MAX5774是32通道、16位DAC，電路比較復(fù)雜。該產(chǎn)品系列包括乘法器和加法器，可以校準(zhǔn)增益和失調(diào)誤差。

用這種數(shù)字方法進(jìn)行校準(zhǔn)的主要優(yōu)點是：校準(zhǔn)可以很容易地利用ATE實現(xiàn)。但是，有些情況下這也是缺點，因為需要使用ATE。查找表或校準(zhǔn)系數(shù)的構(gòu)建和編程可以通過手動方式完成，但在實際生產(chǎn)中非常耗時而且價值不大。

通過調(diào)整電壓基準(zhǔn)校準(zhǔn)增益誤差

另外一種校準(zhǔn)增益誤差的方法是調(diào)整電壓基準(zhǔn)。這種方法特別適合要求高精度、但分辨率不一定很高的系統(tǒng)。

這種方式的關(guān)鍵是需要一個可微調(diào)的基準(zhǔn)源，如MAX*3。該基準(zhǔn)源的初始(調(diào)整前)精度為0.04%，-40°C至+125°C范圍內(nèi)溫度系數(shù)達(dá)到3ppm。表1列出了其它可微調(diào)的電壓基準(zhǔn)。

MAX*3可以簡單地通過在輸出端、地和微調(diào)引腳之間增加一個電位器調(diào)整(圖4)。



圖4. MAX*3典型工作原理圖

MAX*3的輸出電壓可以通過下式進(jìn)行微調(diào)：



實現(xiàn)電壓基準(zhǔn)微調(diào)

這種增益校準(zhǔn)方法可通過兩種方式實現(xiàn)：機(jī)械式電位器或數(shù)字電位器。

表面上，機(jī)械電位器調(diào)節(jié)非常便利。但這個方法存在一個缺點：很難實現(xiàn)自動校準(zhǔn)。一種替代方案是采用數(shù)字電位器，提供簡便的自動校準(zhǔn)，能夠在最終測試時支持校準(zhǔn)甚至是自動進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)。

圖4給出了一個性能優(yōu)異的電位器示例MAX5436，該電位器為128抽頭、低漂移數(shù)字電位器，采用SPI?接口。MAX5436連接很簡單，無需外圍元件，調(diào)整范圍為-5.36%至+6%，分辨率范圍為0.08%至0.1%。絕大多數(shù)應(yīng)用中，這個范圍和分辨率足以滿足要求。

結(jié)論

我們探討了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的增益誤差校準(zhǔn)問題。常用的數(shù)字校準(zhǔn)方法會帶來額外的積分非線性誤差(該誤差可以被修正)。但這個誤差還會導(dǎo)致在修正點上出現(xiàn)額外的±1 LSB的微分非線性誤差。如果實際應(yīng)用不能接受這個誤差，則必須選擇更高分辨率的轉(zhuǎn)換器，當(dāng)然，這會增加成本。

也可以通過調(diào)整電壓基準(zhǔn)實現(xiàn)校準(zhǔn)，即可以用機(jī)械電位器手動校準(zhǔn)，也可以用數(shù)字電位器，從而避免數(shù)字方法中引入的額外DNL和INL誤差。

表1. Maxim提供的可微調(diào)電壓基準(zhǔn)