數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中增益誤差的校準(zhǔn)方法

所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)都需要基準(zhǔn)電壓源。高精度系統(tǒng)存在許多誤差源，其中系統(tǒng)增益誤差最為重要。該增益誤差可以通過多種方法進(jìn)行校準(zhǔn)。數(shù)字校準(zhǔn)很常見，但會(huì)帶來誤差，可以通過提高分辨率來補(bǔ)償。校準(zhǔn)也可以通過調(diào)整基準(zhǔn)電壓源來完成，這種方法不會(huì)引入誤差。本應(yīng)用筆記介紹了如何使用數(shù)字電位器調(diào)整基準(zhǔn)電壓源。

增益誤差問題

一個(gè)常見的培訓(xùn)問題是：您希望在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中以什么分辨率使用分立基準(zhǔn)電壓源？新手答案通常建議使用 10/12 位區(qū)域。好吧，也許吧，但這是一個(gè)棘手的問題。真正的答案是分辨率和精度是獨(dú)立的實(shí)體。一般來說，正確、最好的答案是可以理解的：高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將比低分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器更準(zhǔn)確。但是，答案還有更多。使用低分辨率的系統(tǒng)可以通過精確的參考和/或校準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)高精度。

影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)精度的因素很多，其中增益誤差最為重要。增益誤差定義為在最大代碼下與理想值的偏差，忽略失調(diào)誤差，如下圖1所示的DAC。ADC的定義方式相同。

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中的非理想增益和基準(zhǔn)電壓源中的誤差引起的。誤差可以通過數(shù)字校準(zhǔn)。然而，數(shù)字方法要求系統(tǒng)使用更高分辨率的轉(zhuǎn)換器，這很容易增加成本。

下面使用一個(gè)夸張的示例演示了這種數(shù)字方法。該系統(tǒng)使用理想DAC和非理想模擬輸出放大器進(jìn)行建模（圖2）。為簡單起見，假設(shè)DAC只有4位分辨率。

圖2.用于演示數(shù)字增益校準(zhǔn)的系統(tǒng)。

首先考慮系統(tǒng)增益誤差為零的理想情況，AV = 1。隨著DAC輸入代碼的增加，輸出電壓相應(yīng)增加至2.5V （VREF = 2.5V）?，F(xiàn)在我們讓情況更加真實(shí)，盡管被夸大了。增益AV為1.1（增益誤差= 10%）。輸出電壓像以前一樣增加，但代碼為 15?，F(xiàn)在 VOUT = 2.75V。我們可以通過使用查找表修改DAC代碼或在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)算法來數(shù)字校準(zhǔn)系統(tǒng)。要將增益 1.1 校正回總增益 1.0，請將代碼乘以 1/1.1 = 0.909（圖 3）。還繪制了理想未校準(zhǔn)和校準(zhǔn)真實(shí)系統(tǒng)的特征。

圖3.數(shù)字校準(zhǔn)的DAC系統(tǒng)。

圖3所示為理想DAC特性和未校準(zhǔn)特性，其中增益誤差為+10%。通過修改DAC代碼，可以校準(zhǔn)+10%增益誤差。然而，這種方法引入了一個(gè)問題，通過查看校準(zhǔn)代碼和微分非線性很容易看出。最初，DAC 代碼正常增加。但是，有一個(gè)恒定的正 DNL。INL 增加到 0.5 LSB INL，此時(shí)校準(zhǔn)代碼不會(huì)從輸入代碼 5 增加到 6。更進(jìn)一步，可以證明，無論需要什么校準(zhǔn)，INL在校正回0 LSB之前都會(huì)建立到5.1 LSB。DNL 在某些時(shí)候會(huì)是 ±1 LSB。解決此問題的唯一方法是提高DAC的分辨率。

以這種方式對增益誤差進(jìn)行數(shù)字校準(zhǔn)非常有效，事實(shí)上，Maxim在包括MAX5774在內(nèi)的多個(gè)器件中采用了這種技術(shù)。MAX5774為32通道、16位DAC和復(fù)雜器件。該器件系列包含一個(gè)乘法器和一個(gè)加法器，因此可以校準(zhǔn)增益和失調(diào)誤差。

使用這種數(shù)字方法進(jìn)行校準(zhǔn)有一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：使用ATE可以輕松完成校準(zhǔn)。然而，有些人認(rèn)為這是一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)樗_實(shí)需要使用ATE?？梢允謩?dòng)構(gòu)建和編程查找表或校準(zhǔn)系數(shù)，但在實(shí)際生產(chǎn)情況下非常耗時(shí)且價(jià)值不大。

調(diào)整基準(zhǔn)電壓以校準(zhǔn)增益誤差

校準(zhǔn)增益誤差的另一種方法是調(diào)整基準(zhǔn)電壓源。這種方法特別適用于需要高精度但不一定高分辨率的系統(tǒng)。

這種方法的關(guān)鍵是使用可調(diào)整的基準(zhǔn)，如MAX6143。該基準(zhǔn)電壓源在-0°C至+04°C范圍內(nèi)具有3.40%的初始未調(diào)整精度和125ppm的溫度系數(shù)。 其他可調(diào)整參考如下表1所示。

MAX6143只需在輸出、接地和微調(diào)引腳之間增加一個(gè)電位器即可調(diào)節(jié)（圖4）。

圖4.MAX6143的典型工作原理圖

MAX6143的輸出電壓可根據(jù)下式調(diào)整：

其中：

VOUT是輸出電壓。
VNOM 是標(biāo)稱輸出電壓。
R為電位器比，公式2。
MAX6143的k典型值為0.06 （6%）。

因此，在極端情況下，R = 0 和 R = 1。R = 0 時(shí)，VOUT = VNOM × 1.06。R = 1 時(shí)，VOUT = VNOM × 0.946。

實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓調(diào)整

這種增益校準(zhǔn)方法可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：使用手動(dòng)電位計(jì)或數(shù)字電位計(jì)。

最初，使用手動(dòng)電位計(jì)似乎是最簡單的方法。然而，這種方法有一個(gè)缺點(diǎn)：自動(dòng)校準(zhǔn)并不簡單。相反，數(shù)字電位計(jì)提供了最簡單的自動(dòng)校準(zhǔn)方法，因?yàn)樵谧罱K測試中，可以輕松執(zhí)行校準(zhǔn)甚至自動(dòng)現(xiàn)場校準(zhǔn)。

圖4所示的出色電位器是MAX5436，這是一款128抽頭低漂移數(shù)字電位器，具有SPI?兼容接口。只需連接MAX5436，無需外部元件，調(diào)節(jié)范圍典型值為-5.36%至+6%，分辨率范圍為0.08%至0.1%。這個(gè)范圍和分辨率對于大多數(shù)應(yīng)用來說綽綽有余。

結(jié)論

我們研究了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的增益誤差校準(zhǔn)問題。結(jié)果表明，常用的數(shù)字校準(zhǔn)方法會(huì)產(chǎn)生額外的積分非線性誤差，然后進(jìn)行校正。該誤差還會(huì)導(dǎo)致校正點(diǎn)處的額外微分非線性誤差為±1 LSB。如果此錯(cuò)誤不可接受，則必須使用更高分辨率的轉(zhuǎn)換器，這反過來又會(huì)導(dǎo)致額外的成本。

校準(zhǔn)可以通過手動(dòng)或使用數(shù)字電位計(jì)以數(shù)字方式調(diào)整基準(zhǔn)電壓來完成。這避免了數(shù)字方法引入的額外DNL和INL錯(cuò)誤。

審核編輯：郭婷