在数据转换系统中校准增益误差的方法

摘要：所有数据转换系统都需要一个电压基准。高精度系统受到各种误差源的影响，其中最重要的是系统增益误差。增益误差可以用几种方法进行修正，常用方法是数字校准，但会引入误差，可以通过提高分辨率进行补偿。校准也可以采用另一个不会引入误差的方法：微调电压基准。本应用笔记介绍了如何用一个数字电位器微调电压基准。
在数据转换系统中校准增益误差的方法
David Fry, 应用工程师经理
Jan 18, 2010

摘要：所有数据转换系统都需要一个电压基准。高精度系统受到各种误差源的影响，其中最重要的是系统增益误差。增益误差可以用几
种方法进行修正，常用方法是数字校准，但会引入误差，可以通过提高分辨率进行补偿。校准也可以采用另一个不会引入误差的方法：
微调电压基准。本应用笔记介绍了如何用一个数字电位器微调电压基准。


增益误差问题
培训中经常遇到的一个问题是：数据转换系统中，在什么样的分辨率下使用分立电压基准? 初学者通常建议10 位至12 位转换器采用外部
基准。听起来似乎正确，但问题本身存在一定假象，正确的回答应当是分辨率与精度是两个概念。一般意义上，大家很容易理解：高分
辨率数据转换器的精度高于低分辨率的数据转换器。但这一答案并不完善，利用低分辨率转换器的系统在配合使用精密的电压基准、校
准，或者二者兼用的情况下仍然可以获得高精度。

影响数据转换系统精度的因素有很多，其中最重要的是增益误差。对于DAC ，增益误差定义为不考虑失调误差时最大码值处的实际结果
与理想值的偏差，如图1所示。ADC 的定义类似。




图1. 增益和失调误差


数字校准增益误差
增益误差是由模拟信号链路的非理想增益和电压基准的误差造成的。这个误差可以通过数字化方式进行校准。但是，数字校准要求系统
使用高分辨率转换器，这会增加系统成本。

以下示例解释了这种数字校准方法。系统采用理想的DAC 和非理想模拟输出放大器建模( 图2) 。简单起见，假设DAC 分辨率只有4 位。




图2. 数字增益校准系统

首先考虑理想状态下系统增益误差为零，AV= 1 。当DAC 输入码增大时，输出电压相应于2.5V (VREF= 2.5V) 开始增加。虽然该示例有
些极端，但为了使状态更真实，假设增益AV达到