測量差分輸出、電流模式數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）的線性度

注意：Maxim提供各種精度的電流輸出DAC。本文中，將以MAX5891 作為測量和規(guī)格說明的特例。但所介紹的參數(shù)和測量方法可以用于其他的差分輸出、電流模式DAC。

線性參數(shù)說明

定義數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器線性精度主要有兩個參數(shù)：積分(INL)和差分(DNL)非線性。INL是輸出傳輸函數(shù)和理想直線之間的偏差；DNL是轉(zhuǎn)換器輸出步長相對于理想步長的誤差。

可以采用兩種方法之一對INL進行定義：(1)端點INL或(2)最佳擬合INL。端點INL是采用DAC傳輸函數(shù)端點測得的實際值計算轉(zhuǎn)換器的線性度；最佳擬合INL則是計算傳輸函數(shù)的斜率獲得INL的峰值。



圖1a. 端點積分非線性誤差



圖1b. 最佳擬合積分非線性誤差

圖1a和圖1b以圖形的形式顯示了兩種測試方法與給定傳輸函數(shù)之間的關(guān)系。注意，兩種情況中，DAC傳輸函數(shù)曲線的數(shù)值和形狀都一樣。還要注意，圖1a的端點線性度有較大的正INL，而沒有負(fù)誤差。

采用圖1b所示的最佳擬合方法，將部分正誤差轉(zhuǎn)移到直線的負(fù)側(cè)，以降低報告的最大INL。注意，線性度誤差總量和直線計算結(jié)果相同。

DNL定義理解起來要難一些，確定最低有效位(LSB)的權(quán)值會影響DNL。DAC中需要考慮DNL沒有小于-1 LSB的編碼。小于這一電平的DNL誤差表明器件是非單調(diào)的。當(dāng)輸出不隨輸入碼增大而減小時，或者輸出不隨輸入碼減小而增大時，DAC是單調(diào)的。圖2解釋了正、負(fù)DNL誤差，澄清了單調(diào)的概念。

測量線性度所采用的方法需要考慮待*估DAC的體系結(jié)構(gòu)。優(yōu)先選擇將電流模式DAC輸出轉(zhuǎn)換為電壓，因為這樣可以使用電壓表而不是電流表。普通的萬用表在測量電壓時分辨率要高于電流測量。電流源的配置決定了需要測量多少位編碼才能對器件性能進行精確的*估。



圖2. DNL誤差實例

有很多方法可以將電流(I)轉(zhuǎn)換為電壓(V)，主要取決于幾種因素。首先考慮使用萬用表進行測量，能夠得到的最高分辨率決定了精確測量的最小LSB權(quán)重。推薦LSB權(quán)重與儀表分辨率的比是100比1；儀表應(yīng)能夠測量LSB的1/100。

待測DAC的輸出額定容限也影響了如何進行I至V的轉(zhuǎn)換。電流模式DAC輸出容限是指器件在輸出上能夠承受多大的電壓而不會對性能有影響。增大負(fù)載電阻會提高電壓擺幅和LSB的大小，但是容限限制了最大負(fù)載。

替代簡單的電阻轉(zhuǎn)換的方法是使用虛擬地配置的運算放大器，如圖3所示。由于DAC輸出電壓保持為零，這種配置的優(yōu)勢是能夠提高LSB的大小，明顯高于容限限制。然而，放大器容限和線性度以及熱梯度會影響測量。同樣的，需要兩個匹配放大器來測量差分輸出器件。



圖3. 虛擬地的I至V轉(zhuǎn)換

測量線性度時需要考慮的另一因素是待*估DAC的分辨率。器件分辨率越高，LSB越小?？紤]MAX5891 (16位)、MAX5890 (14位)、MAX5889 (12位)器件。每一器件的滿量程輸出為20mA。使用50Ω負(fù)載時，相應(yīng)的LSB大小為15.25?V、61.04?V和244.2?V。LSB越小，萬用表需要的精度和分辨率就越高。

考慮到DAC的分辨率，還應(yīng)該確定需要多少位編碼才能精確地測量器件性能。16位器件有65,536個可能的輸入編碼，12位器件有4,096個。由于不可能人工測量所有這些編碼，因此，常用的方法是測量編碼子集。少量的編碼減少了采集數(shù)據(jù)所需要的時間，并且能夠提供非常精確的結(jié)果。掌握器件的體系結(jié)構(gòu)有助于選擇某一器件的最佳編碼。

測量電流輸出器件的線性度時，溫度效應(yīng)比較明顯。輸出負(fù)載電阻的功耗導(dǎo)致發(fā)熱，從而改變了電阻值(除非采用的電阻具有0ppm溫度系數(shù))。解決這一問題的方法是轉(zhuǎn)換輸入編碼，有效地對負(fù)載功耗進行平均。

這里采用的方法非常適合自動測量，因為它能夠減小所有編碼的延遲時間。測量每一編碼及其補碼，例如0x4800，然后是0xB7FF。通過測量每一編碼及其補碼，負(fù)載平均功率保持固定，這是因為采用了從零到滿量程遞增的方式來測量最高有效位(MSB)輸入。由于在量程中部測量LSB，該方法不太適合，因為功率的變化相當(dāng)小。

測量說明

以下是Maxim開發(fā)的幾種器件所采用的線性度測量方法。MAX5873 、MAX5875 、MAX5885、MAX5888 MAX5891、MAX5895 和MAX5898 /都采用了該方法進行測量。在最初設(shè)計*估和產(chǎn)品測試時進行了實驗室測量。雖然下面實例針對MAX5891，該方法也可以用于其他器件。

MAX5891采用了5-4-3-4分段結(jié)構(gòu)。分段是指將一個16位器件有效地分成四個單獨的DAC，一個5位、一個4位、一個3位和第二個4位器件。5個MSB含有31個(25 - 1)等權(quán)重電流源，對于5位分辨率，每個輸入編碼采用一個等權(quán)重電流源。下一個4位使用15個源，再下一個3位使用7個。4個LSB是二進制權(quán)重電流源，每個低位比特等于前一比特值的一半。

電流源的總數(shù)57 (31 + 15 + 7 + 4)加上滿幅值和零值，確定了測量MAX5891線性度所需的最少編碼數(shù)。59次測量支持重新構(gòu)建完整的DAC輸出傳輸函數(shù)。一旦確定了傳輸函數(shù)，即可計算線性度。該方法雖然縮短了測試時間，但降低了測量精度。表1列出了推薦的MAX5891編碼組。

表1. 5-4-3-4體系結(jié)構(gòu)16位編碼組



MAX5890和其他Maxim 14位器件使用5-4-3-2分段體系結(jié)構(gòu)，14位體系結(jié)構(gòu)的編碼組如表2所示。MAX5889和其他Maxim 12位器件使用5-4-3體系結(jié)構(gòu)，12位體系結(jié)構(gòu)的編碼組如表3所示。

表2. 5-4-3-2體系結(jié)構(gòu)的14位編碼組