數(shù)字電位計與機(jī)械電位器：最大化系統(tǒng)性能的重要設(shè)計考慮因素

作者：David Rice and Joseph Creech

本文將詳細(xì)介紹如何將數(shù)字電位計與其他組件一起使用，重點(diǎn)介紹每個用例的重要考慮因素和規(guī)格，以確保設(shè)計人員獲得最佳系統(tǒng)性能。本文將討論將數(shù)字電位計與其他元件（如運(yùn)算放大器）結(jié)合使用以創(chuàng)建靈活的多用途系統(tǒng)時應(yīng)考慮的重要設(shè)計考慮因素和規(guī)格。還將探討數(shù)字電位計與傳統(tǒng)電位計設(shè)計相比的優(yōu)缺點(diǎn)。本文還將使用大量真實(shí)示例來演示數(shù)字電位計如何比更傳統(tǒng)的替代解決方案提供顯著改進(jìn)。例如，在運(yùn)算放大器中使用數(shù)字電位計作為反饋電阻，允許運(yùn)算放大器的增益根據(jù)輸入信號的幅度交替。

數(shù)字電位計是數(shù)字控制的可變電阻器，可用于代替功能等效的機(jī)械對應(yīng)電阻器。雖然數(shù)字電位計提供的功能與機(jī)械電位計相當(dāng)，但在許多設(shè)計中，與數(shù)字電位計相關(guān)的規(guī)格、可靠性和可重復(fù)性更勝一籌。電位計可用于通過改變器件的電阻來調(diào)節(jié)電壓或電流。然后，當(dāng)與其他元件（如運(yùn)算放大器）結(jié)合使用時，該調(diào)整可用于設(shè)置不同的電平或增益。使用數(shù)字電位計等可變元件，設(shè)計人員可以設(shè)計出靈活和多功能的系統(tǒng)。例如，在運(yùn)算放大器中使用數(shù)字電位計作為反饋電阻，允許運(yùn)算放大器的增益根據(jù)輸入信號的幅度交替。這為設(shè)計人員提供了減少元件（如多個運(yùn)算放大器）的優(yōu)勢，同時最大限度地提高系統(tǒng)可以工作的輸入信號類型，同時減小PCB尺寸。數(shù)字電位計在小尺寸內(nèi)提供多種功能。

數(shù)字電位計與機(jī)械電位計

數(shù)字電位計和機(jī)械電位計具有相似之處，因此可以在許多應(yīng)用中互換。兩者都是可調(diào)的，提供廣泛的端到端電阻，并解決了用戶對可調(diào)電阻的要求。與數(shù)字電位計相比，機(jī)械電位計的一些優(yōu)勢包括能夠承受更大的電壓、更大的載流能力和更大的功耗。然而，由于機(jī)械電位計的設(shè)計，隨著時間的推移，它們?nèi)菀壮霈F(xiàn)性能變化和可靠性問題。它們對沖擊和振動更敏感，機(jī)械刮水器接觸電阻會因氧化、老化和磨損而發(fā)生變化。這會縮短機(jī)械電位計的使用壽命。數(shù)字電位計由多個CMOS傳輸門組成（見圖1）。由于沒有機(jī)械元件，數(shù)字電位計具有抗沖擊、磨損、老化和接觸的彈性。

圖1.數(shù)字電位計—內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

使用數(shù)字電位計時應(yīng)考慮的事項(xiàng)

與所有組件一樣，在為您的應(yīng)用選擇正確的組件時，需要考慮一些因素。每個規(guī)范的重要性排名將取決于最終用途和其他系統(tǒng)考慮因素。

表 1.選擇數(shù)字電位計時的重要考慮因素

了解這些考慮因素的最佳方法是了解它們?nèi)绾斡绊懱囟☉?yīng)用中數(shù)字電位計的選擇。因此，我們現(xiàn)在將更詳細(xì)地研究數(shù)字電位計的兩個重要用例。

數(shù)字電位計常用的一些應(yīng)用如下：

直流和交流信號衰減器

改變運(yùn)算放大器的增益

如何使用數(shù)字電位器作為衰減器

數(shù)字電位計可用于仿真簡單的低分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。圖 2 顯示了此設(shè)置以及一些常見的術(shù)語。端到端電阻定義為RAB，即端子A和B之間的電阻。嗖嗖和 R工 務(wù) 局參考游標(biāo)和端子之間的電阻。傳遞函數(shù)也如圖2所示。

圖2.數(shù)字電位計作為低分辨率DAC。

對于此設(shè)置，在選擇數(shù)字電位計時需要注意三個關(guān)鍵參數(shù)。電源電壓范圍、數(shù)字電位計分辨率和線性度。

電源電壓1和分辨率2這些規(guī)格涵蓋了數(shù)字電位計可以通過的輸入范圍以及可以實(shí)現(xiàn)的不同電阻電平的數(shù)量，因此是重要的考慮因素。數(shù)字電位計的線性度的指定方式與使用INL（積分非線性）和DNL（數(shù)字非線性）的DAC類似。INL是指實(shí)際數(shù)字電位器與從零電平到滿量程的理想直線的最大偏差。DNL是指連續(xù)代碼的輸出和理想傳遞函數(shù)之間的差異。

對于交流應(yīng)用，與直流電源相同的參數(shù)也適用（電源電壓范圍、分辨率和線性度）。總諧波失真（THD）和帶寬也是應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素。

如何使用數(shù)字電位計創(chuàng)建可變增益運(yùn)算放大器

數(shù)字電位計在改變運(yùn)算放大器增益方面非常有用。Rb/Ra的增益比可以使用數(shù)字電位計精確設(shè)置和改變。利用增益控制的應(yīng)用包括音量控制、傳感器校準(zhǔn)和LCD屏幕的對比度/亮度。但是，在配置過程中必須考慮許多數(shù)字電位計特性。

當(dāng)數(shù)字電位計在電位計模式下使用時，當(dāng)電阻從零電平增加到滿量程時，必須了解數(shù)字電位計的傳遞函數(shù)。作為R之間的電阻嗖嗖增加，RBW減少，這將產(chǎn)生對數(shù)傳遞函數(shù)。對數(shù)傳遞函數(shù)更適合人耳和眼睛反應(yīng)（圖3（a））。

如果應(yīng)用需要線性響應(yīng)，數(shù)字電位計可以通過在變阻器模式下使用數(shù)字電位計（圖3（b））、游標(biāo)DAC配置（圖3（c））或通過線性增益設(shè)置模式（ADI digiPOT+系列產(chǎn)品（如AD5144）獨(dú)有的特性）進(jìn)行線性化（圖3（d））。

圖3.電位計配置。

帶分立電阻器的變阻器模式

在變阻器模式下使用數(shù)字電位計并將其與分立電阻串聯(lián)，輸出可以線性化（圖 3（b））。這是一個簡單的設(shè)計，但是，需要考慮一些設(shè)計考慮因素以保持系統(tǒng)精度。

出于不同的原因，機(jī)械和數(shù)字電位計都有電阻容差。對于機(jī)械電位計，由于難以實(shí)現(xiàn)可重復(fù)值，容差可能會有所不同。對于數(shù)字電位計，由于制造過程而存在公差，但與機(jī)械電位計相比，其值的可重復(fù)性要高得多。

分立式表面貼裝電阻的失調(diào)可能小至1%，但某些數(shù)字電位計的端到端電阻容差可達(dá)20%。正是這種不匹配可能導(dǎo)致分辨率損失，并且可能是一個重大問題，特別是在開環(huán)應(yīng)用中，監(jiān)控?zé)o法補(bǔ)償誤差。在可以監(jiān)控的情況下，數(shù)字電位計的內(nèi)置靈活性允許簡單的校準(zhǔn)程序來調(diào)整數(shù)字電位計的游標(biāo)位置并調(diào)整任何偏移。

ADI公司的數(shù)字電位計產(chǎn)品組合的額定容差從20%到1%不等，以滿足最嚴(yán)格的精度和準(zhǔn)確度要求。一些數(shù)字電位計，如AD5258/AD5259，在出廠時測試容錯，并將結(jié)果存儲在用戶可訪問的存儲器中，以便在生產(chǎn)時進(jìn)行電阻匹配。

線性增益設(shè)置模式

最后一種方法是ADI公司digiPOT+產(chǎn)品組合獨(dú)有的線性增益設(shè)置模式。圖 3（d） 顯示了實(shí)現(xiàn)的專利架構(gòu)如何允許對每個字符串 R 的值進(jìn)行獨(dú)立編程嗖嗖和 R工 務(wù) 局.使用此模式允許通過固定一個字符串的輸出（R工 務(wù) 局） 并設(shè)置另一個字符串 （R嗖嗖).此操作類似于使用帶分立電阻的變阻器模式數(shù)字電位計。但是，總?cè)莶钫`差小于1%，沒有任何額外的并聯(lián)或串聯(lián)電阻組合。

這是由于電阻誤差造成的，因?yàn)樗趦蓚€電阻串陣列中都很常見，可以忽略不計。圖4顯示，在較高代碼下，兩個電阻之間的失配誤差很小。在低于四分之一量程的代碼中，失配確實(shí)會增加到±1%以上，但這是由于內(nèi)部CMOS開關(guān)電阻的影響增加了誤差，這是不容忽視的。

圖4.10k 電阻匹配錯誤。

為什么內(nèi)存對應(yīng)用程序很重要

當(dāng)使用數(shù)字電位計設(shè)置電路中的電平或校準(zhǔn)傳感器和增益設(shè)置時，數(shù)字電位計的上電狀態(tài)對于確保準(zhǔn)確和快速的配置非常重要。數(shù)字電位計提供多種選項(xiàng)，以確保器件在用戶的首選狀態(tài)下上電。數(shù)字電位計分為兩類：

非易失***件具有片上存儲器元件，用于存儲用戶選擇的游標(biāo)位置，以便在上電時進(jìn)行配置。

易失***件沒有可編程存儲器，而是根據(jù)器件配置，器件以零電平、中間電平或滿量程為游標(biāo)位置上電。有關(guān)完整詳細(xì)信息，請參閱每個產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊。

在非易失性數(shù)字電位計分類中，還有其他選項(xiàng)：

電丙胺

一次性可編程 （OTP）

多次可編程 （MTP）

多種存儲器選項(xiàng)允許根據(jù)特定系統(tǒng)定制數(shù)字電位計選擇。例如，對于需要不斷調(diào)整的系統(tǒng)，可以使用易失性數(shù)字電位計。對于只需要在工廠測試中進(jìn)行校準(zhǔn)的系統(tǒng)，可以使用OTP電位計。EEPROM數(shù)字電位計可用于保持最后一個游標(biāo)位置，以便在上電時，數(shù)字電位計將返回到上一個狀態(tài)，并且可以在上電后根據(jù)需要繼續(xù)調(diào)整。

總結(jié)

如前所述，數(shù)字電位計可用于創(chuàng)建易于使用的可調(diào)信號鏈，取代機(jī)械電位計，從而提高規(guī)格、可靠性和PCB面積。通過考慮上述考慮因素，可以實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)并減少系統(tǒng)設(shè)計考慮。

審核編輯：郭婷