调整和校准精密DAC中的失调和增益误差

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