Se analizan las influencias exteriores que introducen errores con una precisión de digital a analógico (DAC)

NOTA DE APLICACIÓN 4672

Entendimiento variación de la temperatura en la precisión digital a analógico (DAC)

Por:
David Fry, Director Estratégico de Ingeniería de Aplicaciones

10 de mayo 2012

Resumen: Esta nota de aplicación se analizan las influencias exteriores que introducen errores con una precisión de digital a analógico (DAC). Se hará especial hincapié en la variación de la temperatura. Este error se reconoce como parte del presupuesto de un error del DAC. El artículo describe los factores de error introducido por el convertidor de datos y la tensión de referencia. Después de entender las fuentes de error, a continuación, proporciona los cálculos necesarios para especificar el convertidor de datos y que compensará el error y cumplir con las especificaciones de un sistema de destino. Los cálculos están disponibles en una hoja de cálculo Excel. Esta nota se centra en las aplicaciones de las referencias Maxim voltaje de 3 terminales y DACs de precisión. Referencias de tensión y DACs tienen muchas especificaciones, pero sólo las que se refieren al presupuesto de error será discutido.

Información general

Un ideal de digital a analógico (DAC) produce una salida analógica de tensión o corriente que es perfectamente lineal e independiente de las muchas influencias externas, tales como la temperatura . Dicho esto, DAC, por supuesto, sujetos a errores causados ​​por muchos factores externos, especialmente la temperatura. Como la temperatura varía, el CAD se pueden derivar. Esto es de particular importancia cuando un DAC precisión se utiliza para establecer un valor de polarización precisa. Cualquier desviación estática puede ser calibrado, sin embargo, las variaciones con la temperatura son mucho más difíciles de compensar. Los errores asociados con la temperatura están dominadas por error de desplazamiento y el error de ganancia.

Esta nota de aplicación describe cómo DAC offset y errores de ganancia se especifican con la temperatura. Se muestra cómo un diseñador puede anticiparse a los errores en el proceso de diseño. Una vez comprendido, este conocimiento puede ser usado para asegurar que el sistema cumple con la especificación requerida por la temperatura.

Los errores de offset y ganancia

Como se indicó anteriormente, el rendimiento del CAD se ve afectada por muchas fuentes de error, incluyendo error de desplazamiento y el error de ganancia. Estos factores se detallan en la "precisión estática" de la hoja de datos de un DAC. Un ejemplo se muestra en la Figura 1 para el MAX5134 DAC 16-bits, cuádruple.

¿Qué significan realmente estas especificaciones para el funcionamiento del CAD?

Error de desplazamiento generalmente se especifica en la salida del dispositivo debe pasar por cero. Para una salida unipolar, esto sería en código cero. De ahí que en el código cero, error de desplazamiento del dispositivo de ejemplo podría ser en cualquier lugar entre ± 10 mV. Para algunos DAC bipolares, este error se especificarán midcode. Por lo tanto, DAC bipolares suelen tener un código de error cero y una especificación de error de desplazamiento. El error de desplazamiento se aplica en todo el rango de código completo.

Error de ganancia es una medida de la pendiente de la transferencia de la función. En el dispositivo de ejemplo la pendiente puede ser de entre 99,5% y 100,5% del ideal.

Ideal compensar errores de ganancia y se muestran en la Figura 2 . Tenga en cuenta que los errores de offset y la ganancia puede ser tanto positiva como negativa.

Figura 2. Desplazamiento y obtener errores.

Offset y errores de ganancia general, no se mide directamente. Si un dispositivo unipolar muestra un error de desplazamiento negativo, entonces la medición a cero del código dará un resultado erróneo. La explicación de esto es realmente sencillo. En teoría, con un error de desplazamiento negativo el resultado debe ser negativo en el código cero.Un DAC unipolar no puede hacer eso, ya que por lo general sólo tiene un suministro positivo. Por lo tanto, dos puntos se miden y el desplazamiento y los errores de ganancia se calculan. Un punto está cerca de código cero mientras que el otro está cerca de, o en su caso, código máximo. El MAX5134, por ejemplo, se ensaya dentro de 100mV de suelo y AVDD; la tensión de alimentación analógica como se ha descrito en la Nota 4 de la Figura 1.

Ahora considere la influencia de la temperatura. Tanto el offset y ganancia deriva errores con la temperatura. Esto es de especial importancia cuando se utiliza un DAC para establecer los valores precisos de polarización. Fijo-offset y error de ganancia puede ser calibrado a cabo mediante diversas técnicas. (Vea la nota de aplicación 4494, " Métodos para la calibración de error de ganancia en los sistemas de datos del convertidor ", para algunas ideas sobre esto). Sin embargo, la calibración de la variación de temperatura es mucho más compleja ya que la temperatura debe ser medida y una remuneración variable aplicada depende de la temperatura .

Ejemplo de cálculos y los resultados típicos

Uso de la MAX5134 como un ejemplo, podemos calcular los errores máximos estáticas que veremos en un gran número de dispositivos. En primer lugar, tenemos que definir algunas ecuaciones que nos permitan calcular la magnitud de los errores.

Donde:
V _OUT = la salida de tensión

N = código CAD

G = ganancia del CAD

GE CAD = ganancia de error

GE _T = error de ganancia adicional de los efectos de temperatura

OE CAD = desplazamiento de error

OE _T = error de desplazamiento adicional de los efectos de temperatura

V _REF = la tensión de referencia

N _MAX = el código CAD máxima

La deriva offset de error se especifica como ± 4mV / ° C. Esto se especifica mediante el método de la caja. (Vea la nota de aplicación 4300, " Cálculo del Presupuesto de error en la precisión de digital a analógico (DAC) de aplicaciones , "para una descripción más detallada.). Para determinar el desplazamiento respecto a la temperatura, multiplicamos la deriva por el intervalo de temperatura. Nótese que este es el rango de funcionamiento especificado para la parte no, el rango de funcionamiento de la aplicación. En este caso, que van de -40 ° C a +105 ° C. Por lo tanto, compensar la deriva más de la temperatura es de ± 0.58mV. Del mismo modo, el coeficiente de temperatura de ganancia se especifica como 2 ppm / C °, lo que equivale a 0,029% FS ± (a gran escala) en total.

Usamos V _REF = 2.5V como el primer ejemplo. En este caso, tenemos un DAC de 16 bits para N _MAX = 65535.

Ahora tenemos un pequeño problema. El desplazamiento y el aumento de los errores se especifican como "MIN / MAX" los valores, lo cual es muy útil. Sin embargo, los efectos de la temperatura sólo se especifica como típicos (típico) los valores. Podemos usar estos valores típicos o estimación por experiencia lo que podría variar en todos los lotes. Por el momento, sólo tiene que utilizar los valores typ.

Si graficamos la tensión de salida como el error inicial en comparación con el código, se obtiene la gráfica que se muestra en la Figura 3 . Dado que este es un diagrama de un DAC real, las líneas son mucho más juntos que en la Figura 2. Por lo tanto, es mejor para trazar la desviación de lo ideal. Esto se muestra en la Figura 4 . También se muestra en la Figura 4 es el error total, incluyendo efectos de la temperatura.

Figura 3. Ejemplo de salida CAD vs código, que muestra la extensión de la ganancia y errores de offset, V _REF = 2.5V.

Figura 4. DAC Ejemplo de salida de error frente a código CAD, V _REF = 2.5V.

Vemos inmediatamente que los efectos de la temperatura son mucho más pequeño que el error inicial. Por tanto, aunque la hoja de datos especifica los valores typ sólo para los efectos de la temperatura, el error total no será significativamente comprometida por esto. El error total es de ± 0,423% FS (± 10.6mV) en código cero y FS ± 0,952% (± 23.8mV) en el código de máxima.

Puede haber algunas mejoras por hacer. Si la tensión de referencia se incrementa, los errores de ganancia aumentará en términos absolutos, ya que se especifican como% FS. Sin embargo, los errores de desplazamiento será la misma en términos absolutos. El efecto de aumentar la tensión de referencia es, por tanto, para aumentar la tensión a gran escala.A continuación, podría dividir por la salida del DAC externamente a la tensión requerida. Esto efectivamente se dividiría la ganancia de error de nuevo a su valor original. Sin embargo, error de desplazamiento también se divide. Figura 5muestra el efecto de tal esquema.

Figura 5. DAC Ejemplo de salida de error frente a código CAD, V _REF = 2.5V.

El error total es de ± 0,212% FS (± 5.3mV) en código cero y FS ± 0,740% (± 18.5mV) en el código de máxima.

Hemos, por supuesto, ignora cualquier error implicado en el divisor de salida. Sin embargo, este enfoque es razonable desde precisión divisores de voltaje puede ser utilizado. El MAX5490 divisor de voltaje puede ser, por ejemplo, lograr ± 0,05% de precisión proporción respecto a la temperatura. Por supuesto, el inconveniente de dividir la salida del DAC es que perdemos la capacidad de la unidad. Esto puede ser restaurado utilizando un amplificador , pero esto sería añadir error mismo. Las discusiones de esta táctica están fuera del alcance de esta nota aplicaciones.

Conclusiones

Hemos definido offset y ganancia errores que afectan a la DAC. Hemos demostrado con el ejemplo de cómo calcular los errores peores que estarían presentes y dio un ejemplo típico. También sugirió un posible método para mejorar el error total.