所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)都需要基準電壓源。高精度系統(tǒng)存在許多誤差源，其中系統(tǒng)增益誤差最為重要。該增益誤差可以通過多種方法進行校準。數(shù)字校準很常見，但會帶來誤差，可以通過提高分辨率來補償。校準也可以通過調(diào)整基準電壓源來完成，這種方法不會引入誤差。本應(yīng)用筆記介紹了如何使用數(shù)字電位器調(diào)整基準電壓源。

增益誤差問題

一個常見的培訓問題是：您希望在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中以什么分辨率使用分立基準電壓源？新手答案通常建議使用 10/12 位區(qū)域。好吧，也許吧，但這是一個棘手的問題。真正的答案是分辨率和精度是獨立的實體。一般來說，正確、最好的答案是可以理解的：高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將比低分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器更準確。但是，答案還有更多。使用低分辨率的系統(tǒng)可以通過精確的參考和/或校準來實現(xiàn)高精度。

影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)精度的因素很多，其中增益誤差最為重要。增益誤差定義為在最大代碼下與理想值的偏差，忽略失調(diào)誤差，如下圖1所示的DAC。ADC的定義方式相同。

圖1.增益和失調(diào)誤差。

數(shù)字校準增益誤差

增益誤差是由模擬信號鏈中的非理想增益和基準電壓源中的誤差引起的。誤差可以通過數(shù)字校準。然而，數(shù)字方法要求系統(tǒng)使用更高分辨率的轉(zhuǎn)換器，這很容易增加成本。

下面使用一個夸張的示例演示了這種數(shù)字方法。該系統(tǒng)使用理想DAC和非理想模擬輸出放大器進行建模（圖2）。為簡單起見，假設(shè)DAC只有4位分辨率。

圖2.用于演示數(shù)字增益校準的系統(tǒng)。

首先考慮系統(tǒng)增益誤差為零的理想情況，AV = 1。隨著DAC輸入代碼的增加，輸出電壓相應(yīng)增加至2.5V （VREF = 2.5V）?，F(xiàn)在我們讓情況更加真實，盡管被夸大了。增益AV為1.1（增益誤差= 10%）。輸出電壓像以前一樣增加，但代碼為 15?，F(xiàn)在 VOUT = 2.75V。我們可以通過使用查找表修改DAC代碼或在數(shù)字域中實現(xiàn)算法來數(shù)字校準系統(tǒng)。要將增益 1.1 校正回總增益 1.0，請將代碼乘以 1/1.1 = 0.909（圖 3）。還繪制了理想未校準和校準真實系統(tǒng)的特征。

圖3.數(shù)字校準的DAC系統(tǒng)。

圖3所示為理想DAC特性和未校準特性，其中增益誤差為+10%。通過修改DAC代碼，可以校準+10%增益誤差。然而，這種方法引入了一個問題，通過查看校準代碼和微分非線性很容易看出。最初，DAC 代碼正常增加。但是，有一個恒定的正 DNL。INL 增加到 0.5 LSB INL，此時校準代碼不會從輸入代碼 5 增加到 6。更進一步，可以證明，無論需要什么校準，INL在校正回0 LSB之前都會建立到5.1 LSB。DNL 在某些時候會是 ±1 LSB。解決此問題的唯一方法是提高DAC的分辨率。

以這種方式對增益誤差進行數(shù)字校準非常有效，事實上，Maxim在包括MAX5774在內(nèi)的多個器件中采用了這種技術(shù)。MAX5774為32通道、16位DAC和復(fù)雜器件。該器件系列包含一個乘法器和一個加法器，因此可以校準增益和失調(diào)誤差。

使用這種數(shù)字方法進行校準有一個主要優(yōu)點：使用ATE可以輕松完成校準。然而，有些人認為這是一個缺點，因為它確實需要使用ATE。可以手動構(gòu)建和編程查找表或校準系數(shù)，但在實際生產(chǎn)情況下非常耗時且價值不大。

調(diào)整基準電壓以校準增益誤差

校準增益誤差的另一種方法是調(diào)整基準電壓源。這種方法特別適用于需要高精度但不一定高分辨率的系統(tǒng)。

這種方法的關(guān)鍵是使用可調(diào)整的基準，如MAX6143。該基準電壓源在-0°C至+04°C范圍內(nèi)具有3.40%的初始未調(diào)整精度和125ppm的溫度系數(shù)。 其他可調(diào)整參考如下表1所示。

MAX6143只需在輸出、接地和微調(diào)引腳之間增加一個電位器即可調(diào)節(jié)（圖4）。

圖4.MAX6143的典型工作原理圖

MAX6143的輸出電壓可根據(jù)下式調(diào)整：

其中：

VOUT是輸出電壓。
VNOM 是標稱輸出電壓。
R為電位器比，公式2。
MAX6143的k典型值為0.06 （6%）。

因此，在極端情況下，R = 0 和 R = 1。R = 0 時，VOUT = VNOM × 1.06。R = 1 時，VOUT = VNOM × 0.946。

實現(xiàn)基準電壓調(diào)整

這種增益校準方法可以通過兩種方式實現(xiàn)：使用手動電位計或數(shù)字電位計。

最初，使用手動電位計似乎是最簡單的方法。然而，這種方法有一個缺點：自動校準并不簡單。相反，數(shù)字電位計提供了最簡單的自動校準方法，因為在最終測試中，可以輕松執(zhí)行校準甚至自動現(xiàn)場校準。

圖4所示的出色電位器是MAX5436，這是一款128抽頭低漂移數(shù)字電位器，具有SPI?兼容接口。只需連接MAX5436，無需外部元件，調(diào)節(jié)范圍典型值為-5.36%至+6%，分辨率范圍為0.08%至0.1%。這個范圍和分辨率對于大多數(shù)應(yīng)用來說綽綽有余。

結(jié)論

我們研究了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的增益誤差校準問題。結(jié)果表明，常用的數(shù)字校準方法會產(chǎn)生額外的積分非線性誤差，然后進行校正。該誤差還會導(dǎo)致校正點處的額外微分非線性誤差為±1 LSB。如果此錯誤不可接受，則必須使用更高分辨率的轉(zhuǎn)換器，這反過來又會導(dǎo)致額外的成本。

校準可以通過手動或使用數(shù)字電位計以數(shù)字方式調(diào)整基準電壓來完成。這避免了數(shù)字方法引入的額外DNL和INL錯誤。

審核編輯：郭婷