调整和校准精密DAC中的失调和增益误差-电子发烧友网

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威廉希尔官方网站时，才会使用DAC的输出。该威廉希尔官方网站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。