数据转换器系统中增益误差的校准方法

所有数据转换器系统都需要基准电压源。高精度系统存在许多误差源，其中系统增益误差最为重要。该增益误差可以通过多种方法进行校准。数字校准很常见，但会带来误差，可以通过提高分辨率来补偿。校准也可以通过调整基准电压源来完成，这种方法不会引入误差。本应用笔记介绍了如何使用数字电位器调整基准电压源。

增益误差问题

一个常见的培训问题是：您希望在数据转换器系统中以什么分辨率使用分立基准电压源？新手答案通常建议使用 10/12 位区域。好吧，也许吧，但这是一个棘手的问题。真正的答案是分辨率和精度是独立的实体。一般来说，正确、最好的答案是可以理解的：高分辨率数据转换器将比低分辨率数据转换器更准确。但是，答案还有更多。使用低分辨率的系统可以通过精确的参考和/或校准来实现高精度。

影响数据转换器系统精度的因素很多，其中增益误差最为重要。增益误差定义为在最大代码下与理想值的偏差，忽略失调误差，如下图1所示的DAC。ADC的定义方式相同。

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中的非理想增益和基准电压源中的误差引起的。误差可以通过数字校准。然而，数字方法要求系统使用更高分辨率的转换器，这很容易增加成本。

下面使用一个夸张的示例演示了这种数字方法。该系统使用理想DAC和非理想模拟输出放大器进行建模（图2）。为简单起见，假设DAC只有4位分辨率。

图2.用于演示数字增益校准的系统。

首先考虑系统增益误差为零的理想情况，AV = 1。随着DAC输入代码的增加，输出电压相应增加至2.5V （VREF = 2.5V）。现在我们让情况更加真实，尽管被夸大了。增益AV为1.1（增益误差= 10%）。输出电压像以前一样增加，但代码为 15。现在 VOUT = 2.75V。我们可以通过使用查找表修改DAC代码或在数字域中实现算法来数字校准系统。要将增益 1.1 校正回总增益 1.0，请将代码乘以 1/1.1 = 0.909（图 3）。还绘制了理想未校准和校准真实系统的特征。

图3.数字校准的DAC系统。

图3所示为理想DAC特性和未校准特性，其中增益误差为+10%。通过修改DAC代码，可以校准+10%增益误差。然而，这种方法引入了一个问题，通过查看校准代码和微分非线性很容易看出。最初，DAC 代码正常增加。但是，有一个恒定的正 DNL。INL 增加到 0.5 LSB INL，此时校准代码不会从输入代码 5 增加到 6。更进一步，可以证明，无论需要什么校准，INL在校正回0 LSB之前都会建立到5.1 LSB。DNL 在某些时候会是 ±1 LSB。解决此问题的唯一方法是提高DAC的分辨率。

以这种方式对增益误差进行数字校准非常有效，事实上，Maxim在包括MAX5774在内的多个器件中采用了这种技术。MAX5774为32通道、16位DAC和复杂器件。该器件系列包含一个乘法器和一个加法器，因此可以校准增益和失调误差。

使用这种数字方法进行校准有一个主要优点：使用ATE可以轻松完成校准。然而，有些人认为这是一个缺点，因为它确实需要使用ATE。可以手动构建和编程查找表或校准系数，但在实际生产情况下非常耗时且价值不大。

调整基准电压以校准增益误差

校准增益误差的另一种方法是调整基准电压源。这种方法特别适用于需要高精度但不一定高分辨率的系统。

这种方法的关键是使用可调整的基准，如MAX6143。该基准电压源在-0°C至+04°C范围内具有3.40%的初始未调整精度和125ppm的温度系数。 其他可调整参考如下表1所示。

MAX6143只需在输出、接地和微调引脚之间增加一个电位器即可调节（图4）。

图4.MAX6143的典型工作原理图

MAX6143的输出电压可根据下式调整：

其中：

VOUT是输出电压。
VNOM 是标称输出电压。
R为电位器比，公式2。
MAX6143的k典型值为0.06 （6%）。

因此，在极端情况下，R = 0 和 R = 1。R = 0 时，VOUT = VNOM × 1.06。R = 1 时，VOUT = VNOM × 0.946。

实现基准电压调整

这种增益校准方法可以通过两种方式实现：使用手动电位计或数字电位计。

最初，使用手动电位计似乎是最简单的方法。然而，这种方法有一个缺点：自动校准并不简单。相反，数字电位计提供了最简单的自动校准方法，因为在最终测试中，可以轻松执行校准甚至自动现场校准。

图4所示的出色电位器是MAX5436，这是一款128抽头低漂移数字电位器，具有SPI™兼容接口。只需连接MAX5436，无需外部元件，调节范围典型值为-5.36%至+6%，分辨率范围为0.08%至0.1%。这个范围和分辨率对于大多数应用来说绰绰有余。

结论

我们研究了数据转换应用中的增益误差校准问题。结果表明，常用的数字校准方法会产生额外的积分非线性误差，然后进行校正。该误差还会导致校正点处的额外微分非线性误差为±1 LSB。如果此错误不可接受，则必须使用更高分辨率的转换器，这反过来又会导致额外的成本。

校准可以通过手动或使用数字电位计以数字方式调整基准电压来完成。这避免了数字方法引入的额外DNL和INL错误。

审核编辑：郭婷