所有數據轉換器系統都需要基準電壓源。高精度系統存在許多誤差源，其中系統增益誤差最為重要。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。校準也可以通過調整基準電壓源來完成，這種方法不會引入誤差。本應用筆記介紹了如何使用數字電位器調整基準電壓源。

增益誤差問題

一個常見的培訓問題是：您希望在數據轉換器系統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：高分辨率數據轉換器將比低分辨率數據轉換器更準確。但是，答案還有更多。使用低分辨率的系統可以通過精確的參考和/或校準來實現高精度。

影響數據轉換器系統精度的因素很多，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.增益和失調誤差。

數字校準增益誤差

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。誤差可以通過數字校準。然而，數字方法要求系統使用更高分辨率的轉換器，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字方法。該系統使用理想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DAC只有4位分辨率。

圖2.用于演示數字增益校準的系統。

首先考慮系統增益誤差為零的理想情況，AV = 1。隨著DAC輸入代碼的增加，輸出電壓相應增加至2.5V （VREF = 2.5V）。現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。現在 VOUT = 2.75V。我們可以通過使用查找表修改DAC代碼或在數字域中實現算法來數字校準系統。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的特征。

圖3.數字校準的DAC系統。

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字校準非常有效，事實上，Maxim在包括MAX5774在內的多個器件中采用了這種技術。MAX5774為32通道、16位DAC和復雜器件。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誤差。

使用這種數字方法進行校準有一個主要優點：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。可以手動構建和編程查找表或校準系數，但在實際生產情況下非常耗時且價值不大。

調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。

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

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

圖4.MAX6143的典型工作原理圖

MAX6143的輸出電壓可根據下式調整：

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。

實現基準電壓調整

這種增益校準方法可以通過兩種方式實現：使用手動電位計或數字電位計。

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，可以輕松執行校準甚至自動現場校準。

圖4所示的出色電位器是MAX5436，這是一款128抽頭低漂移數字電位器，具有SPI?兼容接口。只需連接MAX5436，無需外部元件，調節范圍典型值為-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應用來說綽綽有余。

結論

我們研究了數據轉換應用中的增益誤差校準問題。結果表明，常用的數字校準方法會產生額外的積分非線性誤差，然后進行校正。該誤差還會導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換器，這反過來又會導致額外的成本。

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

審核編輯：郭婷