增益误差问题

培训中经常遇到的一个问题 是：数据转换系统中，在什么样的分辨率下使用分立电压基准? 初学者通常建议10位至12位转换器采用外部基准。听起来似乎正确，但问题本身存在一定假象，正确的回答应当是分辨率与精度是两个概念。一般意义上，大家 很容易理解：高分辨率数据转换器的精度高于低分辨率的数据转换器。但这一答案并不完善，利用低分辨率转换器的系统在配合使用精密的电压基准、校准，或者二 者兼用的情况下仍然可以获得高精度。

影响数据转换系统精度的因素有很多，其中最重要的是增益误差。对于DAC，增益误差定义为不考虑失调 误差时{zd0}码值处的实际结果与理想值的偏差，如图1所示。ADC的定义类似。




图1. 增益和失调误差

数字校准增益误差

增益误 差是由模拟信号链路的非理想增益和电压基准的误差造成的。这个误差可以通过数字化方式进行校准。但是，数字校准要求系统使用高分辨率转换器，这会增加系统 成本。

以下示例解释了这种数字校准方法。系统采用理想的DAC和非理想模拟输出放大器建模(图2)。简单起见，假设DAC分辨率只有4 位。




图2. 数字增益校准系统

首先考虑理想状态下系统增益误差为零，AV = 1。当DAC输入码增大时，输出电压相应于2.5V (VREF = 2.5V)开始增加。虽然该示例有些极端，但为了使状态更真实，假设增益AV达到1.1 (增益误差 = 10%)。如果继续增大输出电压，码值将保持在15，此时的VOUT = 2.75V。我们可以通过查找表或在数字域采取某种算法修改DAC码值，实现数字化校准。为了将1.1倍增益校准到1.0倍增益，需要乘以：1/1.1 = 0.909 (图3)。图中给出了理想的未校准和已校准系统的特性曲线。




图3. 数字化校准DAC系统

图3显示了 一个理想DAC的特性和一个未经校准、增益误差为+10%的系统特性。通过调整DAC码值，可以修正+10%的增益误差。但是，从校准码和微分非线性可以 很容易发现这种方法存在的一个问题。开始时，DAC码值正常递增，具有一个固定的正DNL。INL逐渐增大直到达到0.5 LSB INL，此时在输入码值从5增加到6时校准码没有递增。通过进一步观察可以看出，无论是否采取校准，INL将一直增大到0.5 LSB，直到INL被修正到1 LSB为止。DNL在某些点达到了±1 LSB。为了解决上述问题必须提高DAC的分辨率。

这种情况下数 字校准增益误差非常有效，事实上，Maxim的几款器件也都采用了这项技术，包括MAX5774。MAX5774是32通道、16位DAC，电路比较复 杂。该产品系列包括乘法器和加法器，可以校准增益和失调误差。

用这种数字方法进行校准的主要优点是：校准可以很容易地利用ATE实现。但 是，有些情况下这也是缺点，因为需要使用ATE。查找表或校准系数的构建和编程可以通过手动方式完成，但在实际生产中非常耗时而且价值不大。

通 过调整电压基准校准增益误差

另外一种校准增益误差的方法是调整电压基准。这种方法特别适合要求高精度、但分辨率不一定很高的系统。

这 种方式的关键是需要一个可微调的基准源，如MAX*3。该基准源的初始(调整前)精度为0.04%，-40°C至+125°C范围内温度系数达到 3ppm。表1列出了其它可微调的电压基准。

MAX*3可以简单地通过在输出端、地和微调引脚之间增加一个电位器调整(图4)。




图4. MAX*3典型工作原理图

MAX*3的输出电压可以通过下式进行微调：




实现电压基准微调

这种增益校准方法可通过 两种方式实现：机械式电位器或数字电位器。

表面上，机械电位器调节非常便利。但这个方法存在一个缺点：很难实现自动校准。一种替代方案是 采用数字电位器，提供简便的自动校准，能够在最终测试时支持校准甚至是自动进行现场校准。

图4给出了一个性能优异的电位器示例 MAX5436，该电位器为128抽头、低漂移数字电位器，采用SPI?接口。MAX5436连接很简单，无需外围元件，调整范围为-5.36% 至+6%，分辨率范围为0.08%至0.1%。绝大多数应用中，这个范围和分辨率足以满足要求。

结论

我们探讨了数据转换 系统中的增益误差校准问题。常用的数字校准方法会带来额外的积分非线性误差(该误差可以被修正)。但这个误差还会导致在修正点上出现额外的±1 LSB的微分非线性误差。如果实际应用不能接受这个误差，则必须选择更高分辨率的转换器，当然，这会增加成本。

也可以通过调整电压基准实 现校准，即可以用机械电位器手动校准，也可以用数字电位器，从而避免数字方法中引入的额外DNL和INL误差。

表1. Maxim提供的可微调电压基准