如何精確計算數位類比轉換器訊號鏈誤差預算

作者:ADI現場應用工程師 Thomas Brand


電氣的訊號鏈有多種形式。它們可以由不同的電氣元件組成,包括感測器、執行器、放大器、類比數位轉換器(ADC)、數位類比轉換器(DAC),甚至微控制器。整個訊號鏈的準確性發揮了決定性的作用。為了提高準確性,首先必須識別並儘量降低每個訊號鏈中的各個誤差。由於訊號鏈的複雜性,這種分析將會是一項艱鉅的任務。本文介紹了一種精密數位類比轉換器(DAC)的訊號鏈誤差預算計算工具。本文將描述與DAC連接的元件的單項誤差影響。最後,將逐步展示如何使用該工具來識別和糾正這些問題。

精密數位類比轉換器(DAC)誤差預算計算器 的計算精準,易於使用,可以幫助開發人員為特定應用選擇合適的元件。由於數位類比轉換器(DAC)通常不會單獨出現在訊號鏈中,而是連接到基準電壓和運算放大器(例如作為參考緩衝器),因此必須重視和總結這些額外的元件以及它們的各個誤差。為了能更佳理解這個概念,我們首先看看主要元件的單項誤差影響,如圖1所示。

The main components of a DAC signal chain

圖1. 數位類比轉換器(DAC)訊號鏈的主要元件。

基準電壓有四個主要的誤差影響。第一個與初始精度(初始誤差)有關,表現在25°C(指定溫度)的生產測試中測量的輸出電壓不穩定。此外,還有與溫度係數相關的誤差(溫度係數誤差)、負載調節誤差和線路調節誤差。初始精度和溫度係數誤差對總誤差影響最大。

在運算放大器中,輸入失調電壓誤差和電阻的阻值誤差影響最大。輸入失調電壓誤差是指為了獲得零電壓輸出而在輸入端強行施加的很小的電壓差。增益誤差是用於設定閉迴路增益的相應電阻的阻值誤差引起的。其他誤差由偏置電流、電源抑制比(PSRR)、開迴路增益、輸入失調電流、CMRR失調和輸入失調電壓漂移引起。

對於數位類比轉換器(DAC)本身,資料表中給出了各種類型的誤差,例如積分非線性(INL)誤差,它與理想輸出電壓和給定輸入代碼測量的實際輸出電壓之差有關。其他誤差類型有增益誤差、失調誤差和增益溫度係數誤差。有時將它們組合在一起形成總不可調整誤差(TUE)。TUE和所有測量輸出DAC誤差有關,即INL、失調和增益誤差,以及在電源電壓和溫度範圍內的輸出漂移。

由於不同的誤差源通常不相關,計算訊號鏈中總誤差的最精確方法是統計平方公差法:

equation1

收集各個元件的誤差通常是一項繁瑣的任務,現在我們可以使用誤差預算計算器來簡化這項工作,得到同樣精確的計算結果。

使用精密數位類比轉換器(DAC)誤差預算計算器的步驟

首先,使用誤差預算計算器,從三種數位類比轉換器(DAC)類型中進行選擇:電壓輸出DAC、乘法DAC和4 mA ~ 20 mA電流源DAC。接下來,設定誤差計算所需的溫度範圍和電源電壓漣波,後者對PSRR誤差將產生決定性的作用。輸入這些值後,計算器將產生一個圖表,顯示訊號鏈中每個元件的各個誤差影響,如圖2所示。

A representation of error contributions

圖2. ADI誤差預算計算器中誤差影響的表示。

這個示例中的總誤差主要受基準電壓的影響。透過使用更精確的參考模組可以改善這一訊號鏈。

數位類比轉換器(DAC)的整合電阻負責內部反相放大器的比較,從而提高精度,對數位類比轉換器(DAC)的總誤差產生決定性的作用。在沒有整合電阻或內部反相放大器的數位類比轉換器(DAC)中,這些參數可以單獨設定,如圖2所示。

誤差預算計算器可靠且易於使用,同時其也能使創建精密數位類比轉換器(DAC)訊號鏈和快速評估設計權衡變得更容易。