应用笔记 4494

在数据转换系统中校准增益误差的方法

By: David Fry

摘要 : 所有数据转换系统都需要一个电压基准。高精度系统受到各种误差源的影响,其中最重要的是系统增益误差。增益误差可以用几种方法进行修正,常用方法是数字校准,但会引入误差,可以通过提高分辨率进行补偿。校准也可以采用另一个不会引入误差的方法:微调电压基准。本应用笔记介绍了如何用一个数字电位器微调电压基准。

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最大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
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
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. 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MAX6143。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。

MAX6143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. MAX6143典型工作原理图
图4. MAX6143典型工作原理图

MAX6143的输出电压可以通过下式进行微调:
式1.
其中:
  • VOUT是输出电压。
  • VNOM是标称输出电压。
  • R是电位器比值,式2.
  • 对于MAX6143,k的典型值为0.06 (6%)。
因此,极端情况下,假设R = 0和R = 1。R = 0时,VOUT = VNOM × 1.06;R = 1时,VOUT = VNOM × 0.946。

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
Part Number Voltage Options (V) Trim Range
MAX6143 2.5, 3.3, 4.096, 10.0 ±6% (typ)
MAX6160   1.23V to 12.4V
MAX6173 2.5 ±6% (typ)
MAX6174 4.096 ±6% (typ)
MAX6175 5.0 ±6% (typ)
MAX6176 10.0 ±6% (typ)
MAX6177 3.3 ±6% typ
MAX6220 2.5, 4.096, 5.0 ±0.6% (min)
MAX6225 2.5 ±0.6% (min)
MAX6241 4.096 ±0.6% (min)
MAX6250 5.0 ±0.6% (min)
MAX6325 2.5 ±0.6% (min)
MAX6341 4.096 ±0.6% (min)
MAX6350 5.0 ±0.6% (min)
MAX674 10.0 ±3% (typ)
MAX675 5.0 ±3% (typ)
REF01 10.0 ±3% (typ)
REF02 5.0 ±3% (typ)