調整和校準精密DAC中的失調和增益誤差

本應用筆記定義了DAC中的失調和增益誤差，并確定了該誤差的一些來源。本文解釋了可以在模擬域和數字域中校準該誤差，并展示了實現該誤差的方法。MAX5774精密DAC作為示例器件。

概述

所有DAC系統都會產生增益和失調誤差。這些是由DAC和外部信號路徑中的許多因素引起的模擬誤差。因此，增益和失調誤差應在精密DAC的數據手冊中指定。

MAX5774為32通道、14位精密DAC，每個DAC通道都有增益和失調寄存器。MAX5774還包含全局失調寄存器。使用此全局失調寄存器，可以校準器件和系統的增益和失調誤差，并將每個通道設置為輸出特定范圍。

本應用筆記介紹了這些DAC誤差及其來源，然后介紹了在模擬域和數字域中校準該誤差的方法。

增益和失調誤差

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。（事實上，一些DAC將以最大代碼輸出VREF ×（2N-1/2N）。但是，為簡單起見，我們將假設 VREF）。這條線是完全線性的。如果像這樣完美的線性DAC能夠以可承受的價格制造出來，那么有人將成為百萬富翁。

在代碼0時，輸出電壓永遠不會完全達到應有的水平。與理想代碼0電壓的偏差就是失調誤差。失調誤差通常是雙極性的，通常在DAC數據手冊中以毫伏表示。

DAC的增益是輸出特性的斜率。DAC數據手冊中通常以%FSR（滿量程范圍）來指定增益，并在代碼零和最大代碼之間測量，或者在某些情況下，在接近零和最大值的代碼之間測量。在整個輸出范圍內與理想值的偏差稱為增益誤差。由于該特性從來都不是直線，因此在計算增益誤差時使用端點或靠近兩端的點。如果從實際特性中去除失調誤差，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.失調和增益誤差。

積分非線性誤差（INL）

本應用筆記不討論如何校準INL。但是，定義INL是因為在使用數字校準時需要考慮它。

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。它以兩種方式進行測量：端到端和最佳擬合。為了測量INL，首先要消除失調和增益誤差。

圖3.積分非線性（INL）誤差。

大多數DAC是使用端到端方法指定的。測量值以 LSB 表示。

錯誤的原因

考慮到多種類型的DAC誤差，實際上“給定”的是，只有當信號通過某種調理電路時，才會使用DAC的輸出。該電路的范圍可以從簡單的晶體管或運算放大器到更復雜的IC，如MAX15500輸出調理器。盡管如此，重要的是要認識到，信號通過的所有級都會增加一定量的失調并在一定程度上改變增益。

在許多DAC系統中，使用外部基準電壓源來設置增益。不完美的基準電壓源也會引入增益誤差。

校準錯誤

系統必須設計為無需校準即可達到所需的增益和失調誤差，或者必須對其進行校準。高精度系統通常需要校準，可以在模擬域、數字域或兩者的組合中完成。

在數字域中校準失調和增益誤差有一個重要優勢：大多數系統已經在數字域中進行了某種形式的數字處理。該過程幾乎不需要硬件開銷（如果有的話）。然而，數字校準的缺點是引入了±0.5 LSB的INL（圖4）。

在模擬域中進行校準的優點是不會產生INL損失。缺點是它通常需要更多的硬件。數字校準通常通過查找表或數學函數實現（圖4）。

圖4.典型的數學校準塊。

首先，校正增益誤差，然后添加或減去用于校正失調誤差的失調。其效果如圖 5 所示。與查找表方法相比，這種方法有兩個優點：它易于實現，并且在最終測試中使用ATE進行校準也很簡單。這種方法是線性的，但這是一個缺點。因此，DAC的任何非線性效應都無法校準。但是，這種校準可以通過查找表完成，但最終測試校準非常耗時，因為必須校準更多的點，這會增加成本。如果需要最終線性度，合適的線性DAC是更好的選擇。

圖5.INL通過數字校準引入。

圖5顯示，原始非校準特性的增益誤差小于1。因此，最初校準的DAC代碼跟隨輸入代碼，直到增益誤差導致-0.5 LSB誤差。此時，缺少一個代碼，輸出跳轉到+0.5 LSB的錯誤。可以根據需要重復多次，以校準增益誤差。完成此操作后，應用簡單的偏移來校正偏移誤差。如果增益誤差導致曲線更陡峭，則會丟失代碼。INL的效果是一樣的。

問題的實際解決方案

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

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