了解精密數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的溫度漂移

本應(yīng)用筆記分析了給精密數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）帶來誤差的外部影響。重點(diǎn)將放在溫度漂移上。此錯(cuò)誤被識(shí)別為DAC誤差預(yù)算的一部分。本文討論了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和基準(zhǔn)電壓源引入的誤差因素。在了解誤差來源后，它提供了指定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器所需的計(jì)算，這將補(bǔ)償誤差并滿足系統(tǒng)的目標(biāo)規(guī)格。

本應(yīng)用筆記重點(diǎn)介紹Maxim的3端基準(zhǔn)電壓源和精密DAC?；鶞?zhǔn)電壓源和DAC有許多規(guī)格，但僅討論與誤差預(yù)算相關(guān)的規(guī)格。

概述

理想的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）產(chǎn)生的模擬輸出電壓或電流完全線性，不受溫度等許多外部影響的影響。也就是說，DAC當(dāng)然會(huì)受到許多外部因素（特別是溫度）引起的誤差的影響。隨著溫度的變化，DAC可能會(huì)漂移。當(dāng)使用精密DAC設(shè)置精確的偏置值時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。任何誤差都可以在室溫下校準(zhǔn)。然而，隨溫度的變化更難補(bǔ)償。隨溫度漂移最大的誤差主要由失調(diào)誤差和增益誤差決定。

本應(yīng)用筆記描述了DAC失調(diào)和增益誤差如何隨溫度變化。它展示了設(shè)計(jì)人員如何預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤。一旦理解了這些知識(shí)，這些知識(shí)可用于確保系統(tǒng)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)滿足其所需的規(guī)格。

失調(diào)和增益誤差

如上所述，DAC性能受到許多誤差源的影響，包括失調(diào)誤差和增益誤差。這些因素在DAC數(shù)據(jù)手冊(cè)的“靜態(tài)精度”部分指定。圖1所示為MAX5134 16位、四通道DAC的示例。

注4：增益和失調(diào)測(cè)試電壓在GND和AVDD的100mV范圍內(nèi)。

圖1.MAX5134失調(diào)和增益誤差

這些規(guī)格對(duì)DAC性能意味著什么？

失調(diào)誤差定義了DAC的實(shí)際傳遞函數(shù)與單個(gè)點(diǎn)的理想值的匹配程度。對(duì)于單極性輸出，這是代碼零。此錯(cuò)誤通常稱為零代碼錯(cuò)誤。對(duì)于雙極性輸出，這是DAC輸出應(yīng)通過零點(diǎn)。

增益誤差是傳遞函數(shù)斜率的量度。在示例設(shè)備中，斜率可以介于理想值的 99.5% 和 100.5% 之間。

理想的失調(diào)和增益誤差如圖2所示。請(qǐng)注意，失調(diào)和增益誤差可以是正誤差，也可以是負(fù)誤差。

圖2.失調(diào)和增益誤差。

失調(diào)和增益誤差通常不直接測(cè)量。如果單極性器件出現(xiàn)負(fù)失調(diào)誤差，則在代碼零處進(jìn)行測(cè)量將產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。對(duì)此的解釋其實(shí)很簡(jiǎn)單。理論上，對(duì)于負(fù)失調(diào)誤差，輸出在代碼零處應(yīng)為負(fù)。單極性DAC無法做到這一點(diǎn)，因?yàn)樗ǔＶ挥幸粋€(gè)正電源。因此，測(cè)量?jī)牲c(diǎn)并計(jì)算失調(diào)和增益誤差。一個(gè)點(diǎn)接近代碼零，而另一個(gè)點(diǎn)接近或可能達(dá)到最大代碼。例如，MAX5134在100mV接地和AVDD范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試;模擬電源電壓如圖1注4所述。

現(xiàn)在考慮溫度的影響。失調(diào)和增益誤差均隨溫度漂移。當(dāng)DAC用于設(shè)置精確的偏置值時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。固定失調(diào)和增益誤差可以使用各種技術(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。（參見應(yīng)用筆記4494：“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中增益誤差的校準(zhǔn)方法”，了解一些想法。然而，校準(zhǔn)溫度漂移要復(fù)雜得多，因?yàn)楸仨毷紫葴y(cè)量溫度，并根據(jù)溫度應(yīng)用可變補(bǔ)償。

示例計(jì)算和典型結(jié)果

以MAX5134為例，我們可以計(jì)算出在大量器件上看到的最大靜態(tài)誤差。首先，我們需要定義一些方程，使我們能夠計(jì)算誤差的程度。

VOUT = N × G × (GE + GET) + OE + OET

失調(diào)誤差漂移的規(guī)格值為 ±4μV/°C。 這是使用 box 方法指定的。（參見應(yīng)用筆記4300：“計(jì)算精密數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）應(yīng)用中的誤差預(yù)算”，進(jìn)一步說明。為了確定溫度范圍內(nèi)的失調(diào)，我們將漂移乘以指定的溫度范圍。請(qǐng)注意，這是器件的指定工作范圍，而不是應(yīng)用的工作范圍。在這種情況下，該范圍為 -40°C 至 +105°C。 因此，溫度范圍內(nèi)的失調(diào)漂移為±0.58mV。同樣，增益溫度系數(shù)指定為2ppm/°C，相當(dāng)于總±0.029%FS（滿量程）。

我們使用V裁判第一個(gè)例子是2.5V。在這種情況下，我們有一個(gè) 16 位 DAC，因此 N.MAX= 65535。

現(xiàn)在我們有一個(gè)小問題。失調(diào)和增益誤差指定為“最小值/最大值”，這很有幫助。但是，溫度效應(yīng)僅指定為典型（典型）值。我們可以使用這些典型值，或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)它們?cè)谒信沃械淖兓Ｄ壳?，我們只使用典型值?/p>

如果我們繪制輸出電壓，包括初始誤差與代碼的關(guān)系，我們得到如圖3所示的曲線。由于這是實(shí)際DAC的曲線，因此這些線之間的距離比圖2中的要近得多。因此，最好繪制與理想的偏差。如圖 4 所示。圖4還顯示了總誤差，包括溫度效應(yīng)。

圖3.DAC輸出與代碼的關(guān)系示例，顯示增益和失調(diào)誤差的范圍，V裁判= 2.5V。

圖4.DAC輸出誤差與DAC代碼的關(guān)系示例，VREF= 2.5V。

我們立即看到溫度效應(yīng)比初始誤差小得多。因此，即使數(shù)據(jù)手冊(cè)僅規(guī)定了溫度效應(yīng)的典型值，總誤差也不會(huì)因此而受到顯著影響。代碼零時(shí)的總誤差為±0.423%FS （±10.6mV），最大代碼時(shí)的總誤差為±0.952%FS （±23.8mV）。

可能需要進(jìn)行一些改進(jìn)。如果基準(zhǔn)電壓增加，增益誤差的絕對(duì)值將增加，因?yàn)樗鼈儽恢付?FS。但是，偏移誤差在絕對(duì)值上將保持不變。因此，增加基準(zhǔn)電壓的效果是增加滿量程電壓。然后，我們可以在外部將DAC輸出分壓到所需的電壓。這將有效地將增益誤差分頻回其原始值。但是，失調(diào)誤差也會(huì)被劃分。圖 5 顯示了這種方案的效果。

圖5.DAC輸出誤差與DAC代碼的關(guān)系示例，VREF= 2.5V。

代碼零時(shí)的總誤差為±0.212%FS （±5.3mV），最大代碼時(shí)的總誤差為±0.740%FS （±18.5mV）。

當(dāng)然，我們忽略了輸出分頻器中涉及的任何錯(cuò)誤。但是，這種方法是合理的，因?yàn)榭梢允褂镁芊謮浩?。例如，MAX5490分壓器在整個(gè)溫度范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)±0.05%的比率精度。當(dāng)然，分割DAC輸出的缺點(diǎn)是會(huì)失去驅(qū)動(dòng)能力。這可以使用放大器恢復(fù)，但這會(huì)增加誤差本身。關(guān)于這種策略的討論超出了本應(yīng)用說明的范圍。

結(jié)論

我們定義了影響DAC的失調(diào)和增益誤差。我們通過示例展示了如何計(jì)算將存在的最壞情況誤差，并給出了一個(gè)典型示例。我們還提出了一種改善總誤差的可能方法。

審核編輯：郭婷