现在,越来越多的现代工业系统对精度提出了更高的要求。测试和测量仪器市场一直是高精度信号链路组件的主要驱动因素,这种趋势已开始渗透到其它市场,如工厂自动化、光学网络和医疗。自动测试设备(ATE)、数据采集卡(DAQ)和高性能示波器等应用均需要最高精度的信号链。

精密数模转换器(DAC)是信号链的一个组成部分,也是高精度信号的主要促进因素。精密DAC通常用于微调增益和偏移,并将其它非线性降至最低。正是通过精密DAC的校准,才使信号实现了高精确度。我们将讨论两种DAC架构:R2R梯形架构和电阻串DAC架构,还将分析有助于提高两种架构精度的技术。

精密DAC的精度

任何模拟集成电路都存在很多非理想因素,精密DAC也不例外。

精密DAC中直流(DC)误差的主要来源是偏移误差(OE)、增益(GE)和积分非线性(INL)。偏移误差描述了整个传递函数在线性工作区域上的偏移(图1)。增益误差描述了与定义为最低有效位(1LSB)的传递函数的理想斜率的偏差,如图2所示。INL描述了DAC的理想输出和DAC的实际输出之间的偏差。图3显示了一个3位DAC的实际输出和理想输出。

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图1:3位DAC的偏移误差

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图2:3位DAC的增益误差

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图3:3位DAC的积分线性误差

DAC精度的测量必须包括所有三种误差。总体未调整误差(TUE)通常用于量化DAC精度。TUE是这些误 差和的平方根(RSS),因为这些误差是不相关的。

偏移和增益误差通常使用简单的校准方案在系统上进行校准。另一方面,INL误差需要一个涉及许多代码的全面的校准方案。这对软件而言是一个不小的负担,它需要更多的存储位来存储系数。因此,最小化DAC的INL是提高精度的关键因素。

DAC架构中的积分非线性(INL)

R电阻串和R2R梯形拓扑是两种最常见的DAC架构。在这些DAC中,INL最大的影响因素是梯形或电阻串结构中的电阻不匹配。许多模拟过程都会在梯形或电阻串设计中加入一个高精度电阻器。随着对更高精度的需求不断增加,高精度电阻器显然无法满足这一要求。为此,业界正通过其它的设计、布局和修整技术来抵消电阻不匹配的影响。在这方面,选择R2R梯形架构还是R电阻串架构,在DAC的整体精度中发挥着重要的作用。

作者:Rahul Prakash,Kunal Gandhi,德州仪器

《电子技术设计》2017年5月刊版权所有,谢绝转载。

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