| 理想的數/模轉換器(DAC)，其輸出電壓或電流與輸入呈理想的線(xiàn)性關(guān)系，不受其它外部因素(如溫度)的影響。當然，實(shí)際應用中，DAC必然會(huì )受各種外部因素的影響而出現誤差，溫度就是一個(gè)明顯因素，DAC輸出會(huì )隨溫度的變化而漂移。當用高精度DAC精確建立偏置電壓時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。我們可以校準所有靜態(tài)漂移，而隨溫度變化部分卻很難補償，溫度引起的誤差主要是：失調誤差和增益誤差。
本文介紹了如何確定DAC的失調誤差、增益誤差與溫度的關(guān)系，幫助設計者在設計過(guò)程中預先考慮這些誤差因素，掌握這些知識也有助于保證系統在溫度特性方面滿(mǎn)足規范要求。
失調和增益誤差
如上所述，很多誤差因素會(huì )影響DAC性能，比如失調誤差和增益誤差，DAC器件數據手冊的“靜態(tài)精度”參數部分顯示了這些因素的影響。圖1為MAX5134 16位、4通道DAC的規格。
注4：增益和失調測試，測試點(diǎn)位于100mV和AVDD
圖1：MAX5134的失調和增益誤差。
這些參數對DAC性能意味著(zhù)什么？
失調誤差通常定義器件在過(guò)零點(diǎn)時(shí)的輸出，對于單極性輸出，該值是零碼對應的輸出，通常稱(chēng)為零碼誤差；對于雙極性輸出，則定義在中間碼值對應的DAC輸出。
增益誤差是傳輸函數的斜率，對于MAX5134，斜率介于理論值的99.5%-100.5%之間。
圖2給出了失調誤差和增益誤差，注意，失調和增益誤差可以為正，也可以為負。
圖2：失調和增益誤差。
通常我們不會(huì )直接測量失調和增益誤差，如果一個(gè)單極性器件表現出負的失調誤差，零碼處的測試結果顯然不正確。因為單極性DAC通常采用單路正電源供 電，DAC將無(wú)法產(chǎn)生負值�？梢詼y試兩個(gè)點(diǎn)，然后計算得到失調和增益誤差，一個(gè)測試點(diǎn)靠近零碼，另一側試點(diǎn)靠近最大碼值，甚至位于最大碼值。對于MAX5134，可以選擇100mV和電源AVDD兩個(gè)測試點(diǎn)，測試條件參見(jiàn)圖1注釋4 (注4：增益和失調測試，測試點(diǎn)位于100mV和AVDD，參見(jiàn)MAX5134數據手冊，可從Maxim網(wǎng)站下載)。
下面考慮溫度的影響，失調誤差和增益誤差都會(huì )隨著(zhù)溫度的變化發(fā)生漂移，對于那些利用DAC準確設置偏置電壓的應用，溫漂的影響更大。如果失調和增益誤差固定，則可通過(guò)多種技術(shù)進(jìn)行校準�？偟膩�(lái)說(shuō)，溫漂校準是一項非常復雜的工作，首先需要測量溫度，然后根據溫度值采取相應的補償。
計算示例和典型結果
此處以MAX5134為例，通過(guò)對大量器件的評估統計，我們可以得到最大靜態(tài)誤差。我們先定義幾個(gè)概念或等式，以便計算誤差范圍。
VOUT = N × G × (GE + GET) + OE + OET
此處：VOUT = 輸出電壓
N = DAC輸入碼值
G = DAC增益
GE = DAC增益誤差
GET = 溫度變化產(chǎn)生的附加增益誤差
OE = DAC失調誤差
OET = 溫度導變化產(chǎn)生的附加失調誤差
VREF = 基準電壓
NMAX = DAC最大碼值
參數的失調誤差漂移是±4μV/℃，采用箱形法。為了確定溫度失調，可以利用溫漂系數乘以溫度范圍，注意，此處的溫度范圍指的是器件規定的工作溫度范圍，而非實(shí)際應用的溫度范圍，本例即為：-40℃至+105℃，而溫度導致的失調漂移為±0.58mV。同樣，增益溫漂系數是2ppm/℃，相當于±0.029%FS(滿(mǎn)量程)。
對第一個(gè)例子，我們采用2.5V基準電壓VREF，DAC是16位器件，即最大碼值NMAX為65535。
另一個(gè)問(wèn)題是使用的便捷性，最好把失調和增益誤差指定為“最小/最大”值，而溫度影響只能定義為典型值。我們可以用典型值或憑經(jīng)驗估計整個(gè)范圍內的變化情況，此處采用典型值。
圖3所示曲線(xiàn)為初始誤差輸出電壓與輸入碼之間的關(guān)系圖。這是一個(gè)實(shí)際DAC器件的特性曲線(xiàn)，這組曲線(xiàn)比圖2靠得更緊，不易分析，所有最好畫(huà)出它們與理想曲線(xiàn)之間的偏差，如圖4所示。圖4也給出了包括溫度影響的整體誤差。
圖3：DAC輸出與輸入碼之間的關(guān)系圖，顯示了增益、失調誤差的影響，基準電壓為2.5V。
圖4：DAC輸出誤差與輸入碼之間的關(guān)系，基準電壓為2.5V。
從圖中可以看出，溫度的影響遠低于初始誤差，所以，即使數據手冊只給出了溫度特性的典型值，也不會(huì )對整體誤差產(chǎn)生顯著(zhù)影響。零碼處的整體誤差為±0.423%FS (±10.6mV)，最大輸入碼處的整體誤差為±0.952%FS (±23.8mV)。
可以采取一些改善措施，如提高基準電壓。由于增益誤差是以滿(mǎn)量程的百分比(%FS)規定的，它的絕對值會(huì )變大，但失調誤差的絕對值不會(huì )變大。因而，可以通 過(guò)提高基準電壓來(lái)提高滿(mǎn)量程輸出電壓，然后再從外部把DAC的輸出降到所要求的電壓，這樣，增益誤差恢復到原來(lái)的數值，而失調誤差卻可以減小。圖5顯示了這種方法的效果。
圖5：DAC輸出誤差與輸入碼之間的關(guān)系示例，基準電壓為2.5V。
零碼處，整體誤差為±0.212%FS (±5.3mV)；最大碼處，整體誤差為±0.740%FS (±18.5mV)。
當然，此結果忽略了輸出分壓器引入的誤差。但這種方法是完全可行的，因為輸出分壓器可以采用精密分壓器，比如MAX5490，其比率精度的溫度特性可以達到±0.05%。當然，對DAC輸出進(jìn)行分壓的缺點(diǎn)是降低驅動(dòng)能力，需通過(guò)運放改善輸出驅動(dòng)，這又會(huì )引入額外的誤差，對此方法的深入討論不在本文范疇。
結論
本文討論了影響DAC精度的失調誤差和增益誤差，也通過(guò)例子給出了如何計算最差條件下的誤差，并提供了一些改善整體誤差的建議。 |
