摘要：數/模轉換器(DAC)線性度測量並非無足輕重，需要考慮很多潛在的誤差源，包括熱效應、接地環路和儀表精度等。而且，在採用儀表對數字解析度超過10位的DAC線性度進行全面測量非常耗時。本應用筆記詳細介紹如何以最小的誤差迅速進行這類測試。
注意：Maxim提供各種精度的電流輸出DAC。本文中，將以MAX5891 作為測量和規格說明的特例。但所介紹的參數和測量方法可以用於其他的差分輸出、電流模式DAC。
線性參數說明
定義數據轉換器線性精度主要有兩個參數：積分(INL)和差分(DNL)非線性。INL是輸出傳輸函數和理想直線之間的偏差；DNL是轉換器輸出步長相對於理想步長的誤差。
可以採用兩種方法之一對INL進行定義：(1)端點INL或(2)最佳擬合INL。端點INL是採用DAC傳輸函數端點測得的實際值計算轉換器的線性度；最佳擬合INL則是計算傳輸函數的斜率獲得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之間的關係。注意，兩種情況中，DAC傳輸函數曲線的數值和形狀都一樣。還要注意，圖1a的端點線性度有較大的正INL，而沒有負誤差。
採用圖1b所示的最佳擬合方法，將部分正誤差轉移到直線的負側，以降低報告的最大INL。注意，線性度誤差總量和直線計算結果相同。
DNL定義理解起來要難一些，確定最低有效位(LSB)的權值會影響DNL。DAC中需要考慮DNL沒有小於-1 LSB的編碼。小於這一電平的DNL誤差表明器件是非單調的。當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是單調的。圖2解釋了正、負DNL誤差，澄清了單調的概念。
測量線性度所採用的方法需要考慮待*估DAC的體系結構。優先選擇將電流模式DAC輸出轉換為電壓，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解析度要高於電流測量。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)轉換為電壓(V)，主要取決於幾種因素。首先考慮使用萬用表進行測量，能夠得到的最高解析度決定了精確測量的最小LSB權重。推薦LSB權重與儀表解析度的比是100比1；儀表應能夠測量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載。
替代簡單的電阻轉換的方法是使用虛擬地配置的運算放大器，如圖3所示。由於DAC輸出電壓保持為零，這種配置的優勢是能夠提高LSB的大小，明顯高於容限限制。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轉換
測量線性度時需要考慮的另一因素是待*估DAC的解析度。器件解析度越高，LSB越小。考慮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負載時，相應的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解析度就越高。
考慮到DAC的解析度，還應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。由於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。少量的編碼減少了採集數據所需要的時間，並且能夠提供非常精確的結果。掌握器件的體系結構有助於選擇某一器件的最佳編碼。
測量電流輸出器件的線性度時，溫度效應比較明顯。輸出負載電阻的功耗導致發熱，從而改變了電阻值(除非採用的電阻具有0ppm溫度係數)。解決這一問題的方法是轉換輸入編碼，有效地對負載功耗進行平均。
這裡採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，然後是0xB7FF。通過測量每一編碼及其補碼，負載平均功率保持固定，這是因為採用了從零到滿量程遞增的方式來測量最高有效位(MSB)輸入。由於在量程中部測量LSB，該方法不太適合，因為功率的變化相當小。
測量說明
以下是Maxim開發的幾種器件所採用的線性度測量方法。MAX5873 、MAX5875 、MAX5885、MAX5888 MAX5891、MAX5895 和MAX5898 /都採用了該方法進行測量。在最初設計*估和產品測試時進行了實驗室測量。雖然下面實例針對MAX5891，該方法也可以用於其他器件。
MAX5891採用了5-4-3-4分段結構。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)等權重電流源，對於5位解析度，每個輸入編碼採用一個等權重電流源。下一個4位使用15個源，再下一個3位使用7個。4個LSB是二進位權重電流源，每個低位比特等於前一比特值的一半。
電流源的總數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。59次測量支持重新構建完整的DAC輸出傳輸函數。一旦確定了傳輸函數，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體系結構16位編碼組
MAX5890和其他Maxim 14位器件使用5-4-3-2分段體系結構，14位體系結構的編碼組如表2所示。MAX5889和其他Maxim 12位器件使用5-4-3體系結構，12位體系結構的編碼組如表3所示。