調(diào)整和校準(zhǔn)精密DAC中的失調(diào)和增益誤差

本應(yīng)用筆記定義了DAC中的失調(diào)和增益誤差，并確定了該誤差的一些來(lái)源。本文解釋了可以在模擬域和數(shù)字域中校準(zhǔn)該誤差，并展示了實(shí)現(xiàn)該誤差的方法。MAX5774精密DAC作為示例器件。

概述

所有DAC系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生增益和失調(diào)誤差。這些是由DAC和外部信號(hào)路徑中的許多因素引起的模擬誤差。因此，增益和失調(diào)誤差應(yīng)在精密DAC的數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定。

MAX5774為32通道、14位精密DAC，每個(gè)DAC通道都有增益和失調(diào)寄存器。MAX5774還包含全局失調(diào)寄存器。使用此全局失調(diào)寄存器，可以校準(zhǔn)器件和系統(tǒng)的增益和失調(diào)誤差，并將每個(gè)通道設(shè)置為輸出特定范圍。

本應(yīng)用筆記介紹了這些DAC誤差及其來(lái)源，然后介紹了在模擬域和數(shù)字域中校準(zhǔn)該誤差的方法。

增益和失調(diào)誤差

理想的14位DAC具有圖1所示的特性。

圖1.理想的14位DAC特性。

在代碼 0 處，輸出電壓正好為 0V，在代碼 16383 處，輸出電壓正好是 VREF。（事實(shí)上，一些DAC將以最大代碼輸出VREF ×（2N-1/2N）。但是，為簡(jiǎn)單起見，我們將假設(shè) VREF）。這條線是完全線性的。如果像這樣完美的線性DAC能夠以可承受的價(jià)格制造出來(lái)，那么有人將成為百萬(wàn)富翁。

在代碼0時(shí)，輸出電壓永遠(yuǎn)不會(huì)完全達(dá)到應(yīng)有的水平。與理想代碼0電壓的偏差就是失調(diào)誤差。失調(diào)誤差通常是雙極性的，通常在DAC數(shù)據(jù)手冊(cè)中以毫伏表示。

DAC的增益是輸出特性的斜率。DAC數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常以%FSR（滿量程范圍）來(lái)指定增益，并在代碼零和最大代碼之間測(cè)量，或者在某些情況下，在接近零和最大值的代碼之間測(cè)量。在整個(gè)輸出范圍內(nèi)與理想值的偏差稱為增益誤差。由于該特性從來(lái)都不是直線，因此在計(jì)算增益誤差時(shí)使用端點(diǎn)或靠近兩端的點(diǎn)。如果從實(shí)際特性中去除失調(diào)誤差，則在最大代碼下剩下的就是增益誤差。夸張但仍然線性的DAC特性如圖2所示。

圖2.失調(diào)和增益誤差。

積分非線性誤差 （INL）

本應(yīng)用筆記不討論如何校準(zhǔn)INL。但是，定義INL是因?yàn)樵谑褂脭?shù)字校準(zhǔn)時(shí)需要考慮它。

上面圖 2 所示的所有特性都是完全線性的;它們從來(lái)都不是完全線性的，如下圖 3 所示。INL是衡量特征偏離理想程度的指標(biāo)。它以兩種方式進(jìn)行測(cè)量：端到端和最佳擬合。為了測(cè)量INL，首先要消除失調(diào)和增益誤差。

圖3.積分非線性 （INL） 誤差。

大多數(shù)DAC是使用端到端方法指定的。測(cè)量值以 LSB 表示。

錯(cuò)誤的原因

考慮到多種類型的DAC誤差，實(shí)際上“給定”的是，只有當(dāng)信號(hào)通過(guò)某種調(diào)理電路時(shí)，才會(huì)使用DAC的輸出。該電路的范圍可以從簡(jiǎn)單的晶體管或運(yùn)算放大器到更復(fù)雜的IC，如MAX15500輸出調(diào)理器。盡管如此，重要的是要認(rèn)識(shí)到，信號(hào)通過(guò)的所有級(jí)都會(huì)增加一定量的失調(diào)并在一定程度上改變?cè)鲆妗?/p>

在許多DAC系統(tǒng)中，使用外部基準(zhǔn)電壓源來(lái)設(shè)置增益。不完美的基準(zhǔn)電壓源也會(huì)引入增益誤差。

校準(zhǔn)錯(cuò)誤

系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)為無(wú)需校準(zhǔn)即可達(dá)到所需的增益和失調(diào)誤差，或者必須對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。高精度系統(tǒng)通常需要校準(zhǔn)，可以在模擬域、數(shù)字域或兩者的組合中完成。

在數(shù)字域中校準(zhǔn)失調(diào)和增益誤差有一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：大多數(shù)系統(tǒng)已經(jīng)在數(shù)字域中進(jìn)行了某種形式的數(shù)字處理。該過(guò)程幾乎不需要硬件開銷（如果有的話）。然而，數(shù)字校準(zhǔn)的缺點(diǎn)是引入了±0.5 LSB的INL（圖4）。

在模擬域中進(jìn)行校準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)產(chǎn)生INL損失。缺點(diǎn)是它通常需要更多的硬件。數(shù)字校準(zhǔn)通常通過(guò)查找表或數(shù)學(xué)函數(shù)實(shí)現(xiàn)（圖4）。

圖4.典型的數(shù)學(xué)校準(zhǔn)塊。

首先，校正增益誤差，然后添加或減去用于校正失調(diào)誤差的失調(diào)。其效果如圖 5 所示。與查找表方法相比，這種方法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：它易于實(shí)現(xiàn)，并且在最終測(cè)試中使用ATE進(jìn)行校準(zhǔn)也很簡(jiǎn)單。這種方法是線性的，但這是一個(gè)缺點(diǎn)。因此，DAC的任何非線性效應(yīng)都無(wú)法校準(zhǔn)。但是，這種校準(zhǔn)可以通過(guò)查找表完成，但最終測(cè)試校準(zhǔn)非常耗時(shí)，因?yàn)楸仨毿?zhǔn)更多的點(diǎn)，這會(huì)增加成本。如果需要最終線性度，合適的線性DAC是更好的選擇。

圖5.INL通過(guò)數(shù)字校準(zhǔn)引入。

圖5顯示，原始非校準(zhǔn)特性的增益誤差小于1。因此，最初校準(zhǔn)的DAC代碼跟隨輸入代碼，直到增益誤差導(dǎo)致-0.5 LSB誤差。此時(shí)，缺少一個(gè)代碼，輸出跳轉(zhuǎn)到+0.5 LSB的錯(cuò)誤。可以根據(jù)需要重復(fù)多次，以校準(zhǔn)增益誤差。完成此操作后，應(yīng)用簡(jiǎn)單的偏移來(lái)校正偏移誤差。如果增益誤差導(dǎo)致曲線更陡峭，則會(huì)丟失代碼。INL的效果是一樣的。

問(wèn)題的實(shí)際解決方案

Maxim MAX5774是一款14位、32通道DAC，每個(gè)DAC通道集成增益和失調(diào)校準(zhǔn)寄存器。利用其全局失調(diào)寄存器，可以校準(zhǔn)器件和系統(tǒng)的增益和失調(diào)誤差，并將每個(gè)通道設(shè)置為輸出特定范圍。MAX5774只是Maxim提供的具有這些功能的幾款器件之一。

如果MAX5774的增益校準(zhǔn)寄存器設(shè)置為1，失調(diào)校準(zhǔn)寄存器（圖6）設(shè)置為0，典型增益誤差為0.1%，典型失調(diào)誤差為8mV。校準(zhǔn)該器件可使增益誤差改善0.05%，失調(diào)誤差達(dá)到令人印象深刻的300μV。

圖6.MAX5774框圖

總結(jié)

本文定義了DAC失調(diào)和增益誤差，并研究了DAC系統(tǒng)中該誤差的一些來(lái)源。演示了在模擬域和數(shù)字域中校準(zhǔn)這些誤差的方法。最后，本文介紹了MAX5774針對(duì)DAC校準(zhǔn)問(wèn)題的集成解決方案。

審核編輯：郭婷