簡介

任何實(shí)際的電子應(yīng)用都會(huì)受到多個(gè)誤差源的影響,，這些誤差源可以使得最精密的元器件偏離其數(shù)據(jù)手冊(cè)所述的行為,。當(dāng)應(yīng)用信號(hào)鏈沒有內(nèi)置機(jī)制來自我調(diào)整這些誤差時(shí),，最大程度降低誤差影響的唯一方法是測(cè)量誤差并系統(tǒng)地予以校準(zhǔn)。

開環(huán)系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)所需的性能,，不使用輸出來調(diào)整輸入端的控制操作,，而在閉環(huán)系統(tǒng)中，輸出依賴于系統(tǒng)的控制操作,，系統(tǒng)可以自動(dòng)實(shí)施校正以提高性能,。大多數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)信號(hào)鏈?zhǔn)恰霸O(shè)置后不管”類型的系統(tǒng),，其輸出的精度依賴于信號(hào)鏈中每個(gè)模塊的精度?！霸O(shè)置后不管”型系統(tǒng)是一種開環(huán)系統(tǒng),。對(duì)于需要高精度的開環(huán)系統(tǒng)，校準(zhǔn)是推薦的并且極有可能需要,。

我們將介紹兩種類型的DAC信號(hào)鏈校準(zhǔn)：一種是TempCal（工作溫度校準(zhǔn)）,，它能提供最佳水平的誤差校正；另一種是SpecCal（使用規(guī)格進(jìn)行校準(zhǔn)）,，當(dāng)無法使用TempCal時(shí),，它是有效的備選方案，但不如前者全面,。

DAC類型

單極性電壓DAC只能提供正輸出或負(fù)輸出。本文將以AD5676R為單極性DAC的例子,，說明如何進(jìn)行精確校準(zhǔn),。相同的方法可用于對(duì)其他類型的DAC進(jìn)行必要的調(diào)整。

雙極性電壓DAC（如AD5766）可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)正輸出和負(fù)輸出,。

電流輸出DAC通常用于乘法配置(MDAC)以提供可變?cè)鲆?，它們通常需要外部放大器來緩沖固定電阻上產(chǎn)生的電壓。

精密電流源DAC (IDAC),，例如AD5770R和LTC2662,，是一種新類別的DAC，可以在預(yù)定義范圍內(nèi)精確設(shè)置輸出電流,，而無需任何額外的外部元器件,。

DAC轉(zhuǎn)換函數(shù)理論和內(nèi)部誤差

理想數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的模擬輸出電壓或電流與輸入數(shù)字碼嚴(yán)格成比例，而與電源和基準(zhǔn)電壓變化等干擾性外部影響無關(guān),。

對(duì)于一個(gè)理想電壓輸出DAC,，輸入數(shù)字碼單步增加

對(duì)應(yīng)的輸出增加稱為LSB，定義如下：

在實(shí)踐中,，DAC輸出的精度受到DAC增益和失調(diào)誤差（內(nèi)部誤差）以及信號(hào)鏈中其他元器件件（系統(tǒng)級(jí)誤差）的影響,。例如，有些DAC集成了輸出放大器,，而有些DAC則需要外部放大器,，這便可能成為額外的誤差源。

在數(shù)據(jù)手冊(cè)中,，最相關(guān)的技術(shù)規(guī)格是在術(shù)語部分中定義,。對(duì)于DAC，該部分列出了失調(diào)誤差和增益誤差等參數(shù),。

零電平誤差衡量將零電平碼(0x0000)載入DAC寄存器時(shí)的輸出誤差,。

圖1顯示了失調(diào)和增益誤差對(duì)單極性電壓DAC的轉(zhuǎn)換函數(shù)的影響,。

增益誤差衡量DAC的量程誤差，如圖1紫線所示,。增益誤差指DAC轉(zhuǎn)換特性的斜率與理想值的偏差,。理想DAC的轉(zhuǎn)換特性以黑色顯示。

失調(diào)誤差是指轉(zhuǎn)換函數(shù)線性區(qū)內(nèi)實(shí)際輸出和理想輸出之間的差值,，如圖1藍(lán)線所示,。請(qǐng)注意，藍(lán)色轉(zhuǎn)換函數(shù)使用了插值方法以與y軸相交,，得到負(fù)VOUT,，從而確定失調(diào)誤差。

通過圖4的藍(lán)色曲線可以看到增益誤差和失調(diào)誤差的影響,。

根據(jù)其隨溫度變化而發(fā)生的變化,，也可定義同樣的參數(shù)。

零點(diǎn)誤差漂移衡量零點(diǎn)誤差隨溫度的變化,。

增益誤差溫度系數(shù)衡量增益誤差隨溫度的變化,。

失調(diào)誤差漂移衡量失調(diào)誤差隨溫度的變化。

溫度變化對(duì)電子系統(tǒng)的精度有重要影響,。雖然DAC的內(nèi)部增益和失調(diào)誤差通常相對(duì)于溫度來指定,，但系統(tǒng)中的其他元器件可能會(huì)對(duì)輸出的總失調(diào)和增益產(chǎn)生影響。

因此,，即使DAC的INL和DNL非常有競(jìng)爭(zhēng)力,，也要考慮其他誤差，尤其是關(guān)于溫度的誤差,。最新DAC指定總非調(diào)整誤差(TUE)來衡量包括所有誤差——即INL誤差,、失調(diào)誤差、增量誤差以及在電源電壓和溫度范圍內(nèi)的輸出漂移——在內(nèi)的總輸出誤差,。TUE用%FSR表示,。

當(dāng)數(shù)據(jù)手冊(cè)未指定DAC的TUE時(shí)，可以使用一種稱為RSS或和方根的技術(shù)來計(jì)算TUE,，這種技術(shù)可用來將不相關(guān)的誤差源求和以進(jìn)行誤差分析,。

TUE是一個(gè)很好的指標(biāo)，可簡明扼要地解釋在所有內(nèi)部誤差的影響下,，DC DAC輸出的精度如何,。但是，它沒有考慮系統(tǒng)級(jí)誤差,，后者會(huì)根據(jù)DAC所在的信號(hào)鏈及其環(huán)境而不同,。

值得注意的是，有些DAC的輸出級(jí)內(nèi)置緩沖器/放大器,，在這種情況下,，數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格反映了二者的影響,，將其作為內(nèi)部誤差一部分。

系統(tǒng)級(jí)誤差

嘗試分析給定應(yīng)用的DAC信號(hào)鏈誤差預(yù)算時(shí),，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮并驗(yàn)證不同元器件的貢獻(xiàn),，關(guān)注系統(tǒng)預(yù)期的運(yùn)行溫度。根據(jù)最終應(yīng)用,，信號(hào)鏈可能有許多不同的構(gòu)建模塊,，包括電源IC、緩沖器或放大器,，以及不同類型的有源負(fù)載,，這些都可能帶來系統(tǒng)級(jí)誤差。

基準(zhǔn)電壓源

每個(gè)DAC都需要依靠基準(zhǔn)電壓源來操作,?；鶞?zhǔn)電壓源是影響DAC和整體信號(hào)鏈的精度的主要因素之一。

基準(zhǔn)電壓源的關(guān)鍵性能規(guī)格也是在基準(zhǔn)電壓源的單獨(dú)數(shù)據(jù)手冊(cè)中定義,，例如ADR45XX系列,，或作為DAC數(shù)據(jù)手冊(cè)的一部分來定義（如果器件內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源以供用戶使用）。

壓差有時(shí)也稱為電源電壓裕量,，定義為能夠使輸出電壓保持0.1%精度所需的輸入電壓與輸出電壓的最小電壓差。

溫度系數(shù)（TC或TCVOUT）指器件的輸出電壓變化與環(huán)境溫度變化之間的關(guān)系,，用25°C時(shí)的輸出電壓進(jìn)行歸一化處理,。ADR4520/ADR4525/ADR4530/ADR4533/ADR4540/ADR4550A級(jí)和B級(jí)的TCVOUT在下列三個(gè)溫度下經(jīng)過全面測(cè)試：?40°C、+25°C和+125°C,。C級(jí)的TCVOUT在下列三個(gè)溫度下全面測(cè)試：0°C,、+25°C和+70°C。該參數(shù)使用以下兩種方法指定,。黑盒法是最常用的方法,，會(huì)考慮整個(gè)溫度范圍的溫度系數(shù)；而領(lǐng)結(jié)法可以計(jì)算+25°C時(shí)最差情況的斜率,，因此對(duì)于在+25°C時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)的系統(tǒng)更加有用,。

對(duì)于某些DAC，外部基準(zhǔn)電壓源的性能比集成基準(zhǔn)電壓源更好,?；鶞?zhǔn)電壓直接影響轉(zhuǎn)換函數(shù)，因此,，該電壓的任何變化都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換函數(shù)的斜率（即增益）成比例地變化,。

值得注意的是，有些DAC內(nèi)置緩沖基準(zhǔn)電壓源,，在這種情況下,，數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格反映了這些內(nèi)部模塊的影響,，將其作為內(nèi)部誤差的一部分。

電壓調(diào)整率

每個(gè)充當(dāng)電源的獨(dú)立IC都會(huì)定義電壓調(diào)整率,，表示輸出響應(yīng)輸入的給定變化而發(fā)生的變化,。這適用于電源、緩沖器和基準(zhǔn)電壓源IC,，無論輸入如何,，這些器件都應(yīng)當(dāng)保持輸出電壓穩(wěn)定。在數(shù)據(jù)手冊(cè)中,，電壓調(diào)整率通常在環(huán)境溫度下指定,。

負(fù)載調(diào)整率

負(fù)載調(diào)整率定義為輸出電壓隨負(fù)載電流變化而發(fā)生的增量變化。通常會(huì)緩沖電壓輸出,，以減輕這種變化的影響,。有些DAC可能不緩沖基準(zhǔn)輸入。因此,，當(dāng)數(shù)字碼改變時(shí),，基準(zhǔn)輸入阻抗也會(huì)改變，導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓改變,。其對(duì)輸出的影響一般很小,，但在高精度應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)考慮。在數(shù)據(jù)手冊(cè)中,，負(fù)載調(diào)整率通常在環(huán)境溫度下指定,。

焊接熱阻變化

焊接熱阻(SHR)變化與基準(zhǔn)電壓源的關(guān)系最大。它指器件因進(jìn)行回流焊而引起的輸出電壓永久變化,，用輸出電壓百分比表示,。欲了解更多信息，請(qǐng)參閱ADR45xx系列的數(shù)據(jù)手冊(cè),。一般而言,，所有IC都會(huì)在某種程度上受到SHR變化的影響，但這并不總是可量化的,，能否量化在很大程度上取決于應(yīng)用的具體系統(tǒng)裝配,。

長期穩(wěn)定性

長期穩(wěn)定性定義輸出電壓隨時(shí)間的變化，用ppm/1000小時(shí)來表示,。PCB級(jí)老化處理可以提高應(yīng)用的長期穩(wěn)定性,。

開環(huán)校準(zhǔn)理論

DAC信號(hào)鏈簡圖如圖2所示。黑框所示的模塊顯示了一個(gè)簡化的開環(huán)信號(hào)鏈,，而灰框所示的模塊則是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)信號(hào)鏈所需的額外器件的例子,。

如何成功校準(zhǔn)DAC信號(hào)鏈

本節(jié)以AD5676R為例說明如何實(shí)際校準(zhǔn)DAC信號(hào)鏈中的失調(diào)和增益。所有測(cè)量都使用EVAL-AD5676評(píng)估套件,，并且使能AD5676R內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源,。EVAL-AD5676板和測(cè)量設(shè)置均為我們?cè)谑纠袦y(cè)量的信號(hào)鏈的一部分,。該信號(hào)鏈的每個(gè)元器件（電路板上的電源IC、AD5676R,、布局和連接器引入的寄生效應(yīng)等）都會(huì)貢獻(xiàn)系統(tǒng)誤差,。我們的意圖是說明如何校準(zhǔn)該系統(tǒng)，從而為任何其他系統(tǒng)提供范例,。

使用EVAL-SDP-CB1Z Blackfin? SDP控制板(SDP-B)來與EVAL-AD5676評(píng)估套件上的AD5676R通信,，并且使用8位DMM來測(cè)量VOUT0的輸出電壓。使用一個(gè)氣候箱來控制整個(gè)系統(tǒng)（由EVAL-SDP-CB1Z,、EVAL-AD5676和內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源的AD5676R組成）的溫度,。

EVAL-AD5676按照用戶指南所述上電，鏈路配置如表3所示,。

結(jié)論

本文概述了DAC信號(hào)鏈誤差的一些主要原因,，包括數(shù)據(jù)手冊(cè)中定義的DAC內(nèi)部誤差，以及隨系統(tǒng)而變化且開環(huán)應(yīng)用必須予以考慮的系統(tǒng)級(jí)誤差,。

本文討論了兩種校準(zhǔn)方法：一種用于DAC可以在系統(tǒng)工作溫度下進(jìn)行校準(zhǔn)的情況,，另一種用于無法在工作溫度下進(jìn)行校準(zhǔn)，但可以在環(huán)境溫度下進(jìn)行測(cè)量的情況,。第二種方法使用信號(hào)鏈中DAC和其他IC的數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的TPC和技術(shù)規(guī)格來解決增益和失調(diào)誤差漂移,。

TempCal方法可以實(shí)現(xiàn)比SpecCal好得多的精度。例如,，對(duì)于50°C時(shí)的EVAL-AD5676板,，圖7顯示TempCal方法實(shí)現(xiàn)的精度非常接近理想精度，而SpecCal方法相對(duì)于NoCal數(shù)據(jù)仍然有一定的改進(jìn),。

溫度變化對(duì)電子系統(tǒng)的精度有重要影響。在系統(tǒng)工作溫度進(jìn)行校準(zhǔn)可以消除大部分誤差,。如果這不可能,，可以使用DAC和其他IC的數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的信息來解決溫度變化問題，實(shí)現(xiàn)可接受的精度,。

作者簡介

Martina Mincica是ADI公司愛爾蘭利默里克的精密轉(zhuǎn)換器部門應(yīng)用工程師,。在此之前，她是該部門的設(shè)計(jì)評(píng)估工程師,。她在獲得意大利比薩大學(xué)電子工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位,、碩士學(xué)位和博士學(xué)位后，于2011年加入ADI公司,。她當(dāng)時(shí)感興趣的領(lǐng)域是射頻集成電路設(shè)計(jì),。從那時(shí)起，她一直從事精密DAC和ADC的基準(zhǔn)評(píng)估工作,。

Alice O’Keeffe目前在利默里克大學(xué)進(jìn)行最后一年的學(xué)習(xí),，專業(yè)為電子與計(jì)算機(jī)工程,。2019年，她完成了在ADI公司利默里克園區(qū)精密轉(zhuǎn)換器應(yīng)用部門為期八個(gè)月的實(shí)習(xí),。Alice曾與精密DAC和精密ADC兩個(gè)團(tuán)隊(duì)合作,。