在數據轉換系統中校準增益誤差的方法

增益誤差問題

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

影響數據轉換系統精度的因素有很多，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誤差時最大碼值處的實際結果與理想值的偏差，如圖1所示。ADC的定義類似。



圖1. 增益和失調誤差

數字校準增益誤差

增益誤差是由模擬信號鏈路的非理想增益和電壓基準的誤差造成的。這個誤差可以通過數字化方式進行校準。但是，數字校準要求系統使用高分辨率轉換器，這會增加系統成本。

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



圖2. 數字增益校準系統

首先考慮理想狀態下系統增益誤差為零，AV = 1。當DAC輸入碼增大時，輸出電壓相應于2.5V (VREF = 2.5V)開始增加。雖然該示例有些極端，但為了使狀態更真實，假設增益AV達到1.1 (增益誤差 = 10%)。如果繼續增大輸出電壓，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字域采取某種算法修改DAC碼值，實現數字化校準。為了將1.1倍增益校準到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和已校準系統的特性曲線。



圖3. 數字化校準DAC系統

圖3顯示了一個理想DAC的特性和一個未經校準、增益誤差為+10%的系統特性。通過調整DAC碼值，可以修正+10%的增益誤差。但是，從校準碼和微分非線性可以很容易發現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逐漸增大直到達到0.5 LSB INL，此時在輸入碼值從5增加到6時校準碼沒有遞增。通過進一步觀察可以看出，無論是否采取校準，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。

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

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

通過調整電壓基準校準增益誤差

另外一種校準增益誤差的方法是調整電壓基準。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。

這種方式的關鍵是需要一個可微調的基準源，如MAX*3。該基準源的初始(調整前)精度為0.04%，-40°C至+125°C范圍內溫度系數達到3ppm。表1列出了其它可微調的電壓基準。

MAX*3可以簡單地通過在輸出端、地和微調引腳之間增加一個電位器調整(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行微調：



實現電壓基準微調

這種增益校準方法可通過兩種方式實現：機械式電位器或數字電位器。

表面上，機械電位器調節非常便利。但這個方法存在一個缺點：很難實現自動校準。一種替代方案是采用數字電位器，提供簡便的自動校準，能夠在最終測試時支持校準甚至是自動進行現場校準。

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

結論

我們探討了數據轉換系統中的增益誤差校準問題。常用的數字校準方法會帶來額外的積分非線性誤差(該誤差可以被修正)。但這個誤差還會導致在修正點上出現額外的±1 LSB的微分非線性誤差。如果實際應用不能接受這個誤差，則必須選擇更高分辨率的轉換器，當然，這會增加成本。

也可以通過調整電壓基準實現校準，即可以用機械電位器手動校準，也可以用數字電位器，從而避免數字方法中引入的額外DNL和INL誤差。

表1. Maxim提供的可微調電壓基準