本应用笔记定义了DAC中的失调和增益误差,并确定了该误差的一些来源。本文解释了可以在模拟域和数字域中校准该误差,并展示了实现该误差的方法。MAX5774精密DAC作为示例器件。
概述
所有DAC系统都会产生增益和失调误差。这些是由DAC和外部信号路径中的许多因素引起的模拟误差。因此,增益和失调误差应在精密DAC的数据手册中指定。
MAX5774为32通道、14位精密DAC,每个DAC通道都有增益和失调寄存器。MAX5774还包含全局失调寄存器。使用此全局失调寄存器,可以校准器件和系统的增益和失调误差,并将每个通道设置为输出特定范围。
本应用笔记介绍了这些DAC误差及其来源,然后介绍了在模拟域和数字域中校准该误差的方法。
增益和失调误差
理想的14位DAC具有图1所示的特性。
图1.理想的14位DAC特性。
在代码 0 处,输出电压正好为 0V,在代码 16383 处,输出电压正好是 VREF。(事实上,一些DAC将以最大代码输出VREF ×(2N-1/2N)。但是,为简单起见,我们将假设 VREF)。这条线是完全线性的。如果像这样完美的线性DAC能够以可承受的价格制造出来,那么有人将成为百万富翁。
在代码0时,输出电压永远不会完全达到应有的水平。与理想代码0电压的偏差就是失调误差。失调误差通常是双极性的,通常在DAC数据手册中以毫伏表示。
DAC的增益是输出特性的斜率。DAC数据手册中通常以%FSR(满量程范围)来指定增益,并在代码零和最大代码之间测量,或者在某些情况下,在接近零和最大值的代码之间测量。在整个输出范围内与理想值的偏差称为增益误差。由于该特性从来都不是直线,因此在计算增益误差时使用端点或靠近两端的点。如果从实际特性中去除失调误差,则在最大代码下剩下的就是增益误差。夸张但仍然线性的DAC特性如图2所示。
图2.失调和增益误差。
积分非线性误差 (INL)
本应用笔记不讨论如何校准INL。但是,定义INL是因为在使用数字校准时需要考虑它。
上面图 2 所示的所有特性都是完全线性的;它们从来都不是完全线性的,如下图 3 所示。INL是衡量特征偏离理想程度的指标。它以两种方式进行测量:端到端和最佳拟合。为了测量INL,首先要消除失调和增益误差。
图3.积分非线性 (INL) 误差。
大多数DAC是使用端到端方法指定的。测量值以 LSB 表示。
错误的原因
考虑到多种类型的DAC误差,实际上“给定”的是,只有当信号通过某种调理电路时,才会使用DAC的输出。该电路的范围可以从简单的晶体管或运算放大器到更复杂的IC,如MAX15500输出调理器。尽管如此,重要的是要认识到,信号通过的所有级都会增加一定量的失调并在一定程度上改变增益。
在许多DAC系统中,使用外部基准电压源来设置增益。不完美的基准电压源也会引入增益误差。
校准错误
系统必须设计为无需校准即可达到所需的增益和失调误差,或者必须对其进行校准。高精度系统通常需要校准,可以在模拟域、数字域或两者的组合中完成。
在数字域中校准失调和增益误差有一个重要优势:大多数系统已经在数字域中进行了某种形式的数字处理。该过程几乎不需要硬件开销(如果有的话)。然而,数字校准的缺点是引入了±0.5 LSB的INL(图4)。
在模拟域中进行校准的优点是不会产生INL损失。缺点是它通常需要更多的硬件。数字校准通常通过查找表或数学函数实现(图4)。
图4.典型的数学校准块。
首先,校正增益误差,然后添加或减去用于校正失调误差的失调。其效果如图 5 所示。与查找表方法相比,这种方法有两个优点:它易于实现,并且在最终测试中使用ATE进行校准也很简单。这种方法是线性的,但这是一个缺点。因此,DAC的任何非线性效应都无法校准。但是,这种校准可以通过查找表完成,但最终测试校准非常耗时,因为必须校准更多的点,这会增加成本。如果需要最终线性度,合适的线性DAC是更好的选择。
图5.INL通过数字校准引入。
图5显示,原始非校准特性的增益误差小于1。因此,最初校准的DAC代码跟随输入代码,直到增益误差导致-0.5 LSB误差。此时,缺少一个代码,输出跳转到+0.5 LSB的错误。可以根据需要重复多次,以校准增益误差。完成此操作后,应用简单的偏移来校正偏移误差。如果增益误差导致曲线更陡峭,则会丢失代码。INL的效果是一样的。
问题的实际解决方案
Maxim MAX5774是一款14位、32通道DAC,每个DAC通道集成增益和失调校准寄存器。利用其全局失调寄存器,可以校准器件和系统的增益和失调误差,并将每个通道设置为输出特定范围。MAX5774只是Maxim提供的具有这些功能的几款器件之一。
如果MAX5774的增益校准寄存器设置为1,失调校准寄存器(图6)设置为0,典型增益误差为0.1%,典型失调误差为8mV。校准该器件可使增益误差改善0.05%,失调误差达到令人印象深刻的300μV。
图6.MAX5774框图
总结
本文定义了DAC失调和增益误差,并研究了DAC系统中该误差的一些来源。演示了在模拟域和数字域中校准这些误差的方法。最后,本文介绍了MAX5774针对DAC校准问题的集成解决方案。
审核编辑:郭婷
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