高精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)的溫漂
摘要： 本應用筆記分析了在高精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)中引入誤差的外部因素,，著重于溫漂特性,，這也是DAC整體誤差估算的一部分。本文討論了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,、電壓基準所產(chǎn)生的誤差,，首先分析誤差來源,，然后提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的計算以及誤差補償，以滿足系統(tǒng)設計目標的要求,。計算過程可通過Excel數(shù)據(jù)表完成,。 本應用筆記著重討論了Maxim的三端電壓基準和精密DAC,，電壓基準和DAC涉及規(guī)格很多,，本文僅討論與誤差估算有關的部分。
Abstract：
Key words :
概述
理想的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC),，其輸出電壓或電流與輸入呈理想的線性關系,，不受其它外部因素(如溫度)的影響。當然,，實際應用中,，DAC必然會受各種外部因素的影響而出現(xiàn)誤差，溫度就是一個明顯因素,，DAC輸出會隨溫度的變化而漂移,。當用高精度DAC精確建立偏置電壓時，這一點尤為重要,。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(diào)誤差和增益誤差,。
本應用筆記介紹了如何確定DAC的失調(diào)誤差,、增益誤差與溫度的關系，幫助設計者在設計過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(tǒng)在溫度特性方面滿足規(guī)范要求,。
失調(diào)和增益誤差
如上所述，很多誤差因素會影響DAC性能,，比如失調(diào)誤差和增益誤差,，DAC器件數(shù)據(jù)手冊的“靜態(tài)精度”參數(shù)部分顯示了這些因素的影響。圖1為MAX5134 16位,、4通道DAC的規(guī)格,。
注4：增益和失調(diào)測試，測試點位于100mV和AVDD
圖1. MAX5134的失調(diào)和增益誤差,。
這些參數(shù)對DAC性能意味著什么,？
失調(diào)誤差通常定義器件在過零點時的輸出，對于單極性輸出,，該值是零碼對應的輸出,，通常稱為零碼誤差；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(shù)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(diào)誤差和增益誤差,，注意，失調(diào)和增益誤差可以為正,，也可以為負,。
圖2 失調(diào)和增益誤差。
通常我們不會直接測量失調(diào)和增益誤差,，如果一個單極性器件表現(xiàn)出負的失調(diào)誤差,，零碼處的測試結(jié)果顯然不正確。因為單極性DAC通常采用單路正電源供電,，DAC將無法產(chǎn)生負值,。可以測試兩個點,，然后計算得到失調(diào)和增益誤差,，一個測試點靠近零碼，另一側(cè)試點靠近最大碼值,，甚至位于最大碼值,。對于MAX5134，可以選擇100mV和電源AVDD兩個測試點,，測試條件參見圖1注釋4 (注4：增益和失調(diào)測試,，測試點位于100mV和AVDD，參見MAX5134數(shù)據(jù)手冊,，可從Maxim網(wǎng)站下載),。
下面考慮溫度的影響，失調(diào)誤差和增益誤差都會隨著溫度的變化發(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(diào)和增益誤差固定,，則可通過多種技術進行校準(參見應用筆記AN4494：“在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中校準增益誤差的方法”,，其中有些方法可以借鑒)?？偟膩碚f,，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(jù)溫度值采取相應的補償,。
計算示例和典型結(jié)果
此處以MAX5134為例，通過對大量器件的評估統(tǒng)計，我們可以得到最大靜態(tài)誤差,。我們先定義幾個概念或等式,，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(diào)誤差 | |
| OET = 溫度導變化產(chǎn)生的附加失調(diào)誤差 | |
| VREF = 基準電壓 | |
| NMAX = DAC最大碼值 |
參數(shù)的失調(diào)誤差漂移是±4µV/°C,，采用箱形法(參見應用筆記AN4300：“精密模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(DAC)應用中的誤差估算”),。為了確定溫度失調(diào)，可以利用溫漂系數(shù)乘以溫度范圍,，注意,，此處的溫度范圍指的是器件規(guī)定的工作溫度范圍，而非實際應用的溫度范圍,，本例即為：-40°C至+105°C,，而溫度導致的失調(diào)漂移為±0.58mV,。同樣,，增益溫漂系數(shù)是2ppm/°C，相當于±0.029%FS(滿量程),。
對第一個例子,，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,。
另一個問題是使用的便捷性，最好把失調(diào)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)驗估計整個范圍內(nèi)的變化情況，此處采用典型值,。
圖3所示曲線為初始誤差輸出電壓與輸入碼之間的關系圖,。這是一個實際DAC器件的特性曲線，這組曲線比圖2靠得更緊,，不易分析,，所有最好畫出它們與理想曲線之間的偏差，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系圖，顯示了增益,、失調(diào)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(shù)據(jù)手冊只給出了溫度特性的典型值，也不會對整體誤差產(chǎn)生顯著影響,。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量程的百分比(%FS)規(guī)定的，它的絕對值會變大,，但失調(diào)誤差的絕對值不會變大,。因而，可以通過提高基準電壓來提高滿量程輸出電壓,，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的數(shù)值,，而失調(diào)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(jié)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輸出進行分壓的缺點是降低驅(qū)動能力，需通過運放改善輸出驅(qū)動,，這又會引入額外的誤差,，對此方法的深入討論不在本文范疇。
結(jié)論
本文討論了影響DAC精度的失調(diào)誤差和增益誤差，也通過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,。
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