測(cè)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(cè)量和規(guī)格說(shuō)明的特例。但所介紹的參數(shù)和測(cè)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(shuō)明

定義數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器線性精度主要有兩個(gè)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(zhǎng)相對(duì)于理想步長(zhǎng)的誤差。

可以采用兩種方法之一對(duì)INL進(jìn)行定義：(1)端點(diǎn)INL或(2)最佳擬合INL。端點(diǎn)INL是采用DAC傳輸函數(shù)端點(diǎn)測(cè)得的實(shí)際值計(jì)算轉(zhuǎn)換器的線性度；最佳擬合INL則是計(jì)算傳輸函數(shù)的斜率獲得INL的峰值。



圖1a. 端點(diǎn)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(cè)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(diǎn)線性度有較大的正INL，而沒(méi)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(bào)告的最大INL。注意，線性度誤差總量和直線計(jì)算結(jié)果相同。

DNL定義理解起來(lái)要難一些，確定最低有效位(LSB)的權(quán)值會(huì)影響DNL。DAC中需要考慮DNL沒(méi)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(shí)，或者輸出不隨輸入碼減小而增大時(shí)，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(cè)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?yàn)檫@樣可以使用電壓表而不是電流表。普通的萬(wàn)用表在測(cè)量電壓時(shí)分辨率要高于電流測(cè)量。電流源的配置決定了需要測(cè)量多少位編碼才能對(duì)器件性能進(jìn)行精確的*估。



圖2. DNL誤差實(shí)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(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量，能夠得到的最高分辨率決定了精確測(cè)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(cè)量LSB的1/100。

待測(cè)DAC的輸出額定容限也影響了如何進(jìn)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(huì)對(duì)性能有影響。增大負(fù)載電阻會(huì)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(jiǎn)單的電阻轉(zhuǎn)換的方法是使用虛擬地配置的運(yùn)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(shì)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(huì)影響測(cè)量。同樣的，需要兩個(gè)匹配放大器來(lái)測(cè)量差分輸出器件。



圖3. 虛擬地的I至V轉(zhuǎn)換

測(cè)量線性度時(shí)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(shí)，相應(yīng)的LSB大小為15.25?V、61.04?V和244.2?V。LSB越小，萬(wàn)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(cè)量器件性能。16位器件有65,536個(gè)可能的輸入編碼，12位器件有4,096個(gè)。由于不可能人工測(cè)量所有這些編碼，因此，常用的方法是測(cè)量編碼子集。少量的編碼減少了采集數(shù)據(jù)所需要的時(shí)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(cè)量電流輸出器件的線性度時(shí)，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(wèn)題的方法是轉(zhuǎn)換輸入編碼，有效地對(duì)負(fù)載功耗進(jìn)行平均。

這里采用的方法非常適合自動(dòng)測(cè)量，因?yàn)樗軌驕p小所有編碼的延遲時(shí)間。測(cè)量每一編碼及其補(bǔ)碼，例如0x4800，然后是0xB7FF。通過(guò)測(cè)量每一編碼及其補(bǔ)碼，負(fù)載平均功率保持固定，這是因?yàn)椴捎昧藦牧愕綕M量程遞增的方式來(lái)測(cè)量最高有效位(MSB)輸入。由于在量程中部測(cè)量LSB，該方法不太適合，因?yàn)楣β实淖兓喈?dāng)小。

測(cè)量說(shuō)明

以下是Maxim開發(fā)的幾種器件所采用的線性度測(cè)量方法。MAX5873 、MAX5875 、MAX5885、MAX5888 MAX5891、MAX5895 和MAX5898 /都采用了該方法進(jìn)行測(cè)量。在最初設(shè)計(jì)*估和產(chǎn)品測(cè)試時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。雖然下面實(shí)例針對(duì)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(gè)16位器件有效地分成四個(gè)單獨(dú)的DAC，一個(gè)5位、一個(gè)4位、一個(gè)3位和第二個(gè)4位器件。5個(gè)MSB含有31個(gè)(25 - 1)等權(quán)重電流源，對(duì)于5位分辨率，每個(gè)輸入編碼采用一個(gè)等權(quán)重電流源。下一個(gè)4位使用15個(gè)源，再下一個(gè)3位使用7個(gè)。4個(gè)LSB是二進(jìn)制權(quán)重電流源，每個(gè)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(cè)量MAX5891線性度所需的最少編碼數(shù)。59次測(cè)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(jì)算線性度。該方法雖然縮短了測(cè)試時(shí)間，但降低了測(cè)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