通過增益校準(zhǔn)提高DAC積分非線性(INL)

　　數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC) 的靜態(tài)絕對(duì)精度可以從三個(gè)基本錯(cuò)誤類型來描述：偏移、增益誤差和非線性。線性誤差是這三個(gè)中最具挑戰(zhàn)性的，在許多應(yīng)用中，用戶可以忽略偏移和增益誤差或者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中建立終端自動(dòng)校驗(yàn)來補(bǔ)償。然而，線性錯(cuò)誤則需要更復(fù)雜的修正方法。

　　DAC(見圖1)把數(shù)字輸入代碼轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號(hào)，可能是電流或電壓。DAC的分辨率指的是DAC能產(chǎn)生的單位輸出電平數(shù)量。例如，一個(gè)8位分辨率的DAC能夠產(chǎn)生28(256)的不同輸出電平。理想情況下，每一個(gè)數(shù)字代碼提供同等的模擬階數(shù);然而，實(shí)際上很難達(dá)到。　　

圖1：8位DAC符號(hào)

　　DAC線性問題

　　在介紹提高DAC積分非線性(INL)之前，最好先回顧一下如何確定其線性，如圖2所示。在DAC中，我們通常都把注意力放在兩個(gè)方面：微分非線性(DNL)和積分非線性(INL)。DNL是指實(shí)際模擬輸出階數(shù)的最大偏差，即相鄰輸入代碼之間與理想階數(shù)值(Δ) 的最大偏差。INL是指在傳遞函數(shù)中的任何點(diǎn)，實(shí)際輸出和理想階數(shù)的最大偏差。理想值是零和DAC滿量衡之間的一條直線 (見圖2)。　　

圖2：DAC線性誤差，DNL和INL

　　傳統(tǒng)的終端校準(zhǔn)技術(shù)用來消除DAC 增益誤差。然而，增益誤差一般不會(huì)在DAC滿量程都是線性的，因?yàn)楣鑳?nèi)部有各種非理想體系。這些體系模式可能造成單向梯度，從而導(dǎo)致比較差的INL性能。

　　非線性主要原因如下:

• 邊緣效應(yīng)，例如長度擴(kuò)散(LOD)
• 摻雜梯度
• 氧化層厚度梯度變化導(dǎo)致閾值移位
• 熱梯度
• 供電線路電壓下降 ?

　　因此，終端校正技術(shù)并不足以完全清除增益誤差，INL性能仍舊很差。需要輸出精度高的應(yīng)用就需要很低的INL。

　　固件技術(shù)

　　提高INL性能的方式之一是使用固件技術(shù)。該方法充分利用了片上系統(tǒng) (SoC)技術(shù)，在系統(tǒng)中建立兩點(diǎn)自動(dòng)校驗(yàn)。在這個(gè)例子中，我們將使用PSoC^® 3系列，其有4個(gè)多重范圍 8位電壓/電流DAC(INL約為1.5 LSB)。片上20位 Delta-Sigma模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的 INL在12位模式下小于1 LSB。這足夠用來校準(zhǔn)8位DAC。需要固件來完成DAC輸出和ADC之間的反饋回路 (見圖3)。