【導(dǎo)讀】幾十年來,機(jī)械式電位器一直用在從電路微調(diào)到音量控制的各種應(yīng)用中。然而,機(jī)械式電位器有其局限性:滑臂可能會(huì)磨損,容易受潮,也有可能被意外移出設(shè)定位置。此外,隨著全球數(shù)字化轉(zhuǎn)型,設(shè)計(jì)者需要一種替代方案,以滿足更精確的控制和高可靠性要求,以及能夠靈活地通過固件進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。
數(shù)字式電位器 IC 通常被稱為數(shù)字電位器,是連通數(shù)字和模擬電阻世界的橋梁,讓上述問題迎刃而解。作為一種兼容微控制器的全電子器件,數(shù)字電位器可通過處理器和軟件來控制、設(shè)置和改變其電阻值或分壓比。
數(shù)字電位器擁有機(jī)械式電位器無(wú)法比擬的特點(diǎn)和功能,并且數(shù)字電位器不需要滑臂,因此更加堅(jiān)固可靠。數(shù)字電位器可防止被故意或意外調(diào)節(jié),從而避免了莫名其妙的性能變化。這種器件的應(yīng)用不計(jì)其數(shù),包括 LED 熱穩(wěn)定、LED 調(diào)光、閉環(huán)增益控制、音量調(diào)節(jié)、校準(zhǔn)、用于傳感器的惠斯通電橋微調(diào)、控制電流源和調(diào)節(jié)可編程模擬濾波器等。
本文將簡(jiǎn)要介紹電位器及其向數(shù)字電位器的演變。然后,以 Analog Devices、Maxim Integrated、Microchip Technology 和 Texas Instruments 的器件為例,介紹數(shù)字電位器的操作、基本和高級(jí)配置,以及如何解決電路調(diào)節(jié)問題。本文將展示這些器件的功能、特性、性能和選項(xiàng)如何用于簡(jiǎn)化電路,使電路與處理器兼容并減少甚至消除對(duì)笨重、不太可靠的機(jī)械電位器的需求。
01 電位器的基礎(chǔ)知識(shí)
電位器在電力和電子學(xué)的最早期就已經(jīng)是一個(gè)重要的無(wú)源電路組件。電位器是一種三端子設(shè)備,帶有一個(gè)可訪問的電阻元件,可通過旋轉(zhuǎn)軸上用戶可設(shè)置的滑動(dòng)臂實(shí)現(xiàn)分壓功能。電位器已用于無(wú)數(shù)的模擬和混合信號(hào)電路,能滿足各種各樣的應(yīng)用要求(圖 1)。
圖 1:標(biāo)準(zhǔn)電位器是一個(gè)可由用戶設(shè)置的帶轉(zhuǎn)軸可變電阻器。(圖片來源:etechnog.com)
當(dāng)滑臂沿著電阻元件旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)時(shí),任何一端的觸頭和可調(diào)滑臂之間的電路電阻從零歐姆(標(biāo)稱)到導(dǎo)線或薄膜電阻的全額定值之間變化。大多數(shù)電位器的旋轉(zhuǎn)范圍約為 270 至 300 度,典型的機(jī)械分辨率和重復(fù)性約為滿量程值的 0.5% 和 1%(分別為 1/200和 1/100 之間)。
請(qǐng)注意,電位器和其最初的同類器件——變阻器之間有一個(gè)輕微但明顯的重要區(qū)別。電位器是一個(gè)作為分壓器的三端設(shè)備(圖 2,左),而變阻器是一個(gè)兩端可調(diào)的電阻,用于控制電流流動(dòng)。連接電位器通常是為了創(chuàng)建一個(gè)變阻器,有三種類似的連接方式,即留出其中的一個(gè)端子,不做任何調(diào)節(jié),或者直接將其與滑臂連接(圖 2,右)。
圖 2:可以很方便地用三種連接方法中的任何一種來連接帶有端子 A 和 B 以及滑臂 W 的電位器(左),將其用作變阻器(右)。(圖片來源:Analog Devices)
02 數(shù)字電位器:IC 形式的電位器
全電子數(shù)字電位器仿真了機(jī)電式電位器的功能,但這是通過一個(gè)沒有活動(dòng)部件的集成電路來實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字電位器可接受多種格式的數(shù)字代碼,并確立一個(gè)相應(yīng)的電阻值。因此,這種器件有時(shí)被稱為電阻式數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (RDAC)。
在傳統(tǒng)電位器中,可以用手(有時(shí)甚至是小型電機(jī))來設(shè)定滑臂位置,以此設(shè)置分壓比。然而,在數(shù)字電位器中,計(jì)算機(jī)控制器通過數(shù)字接口與數(shù)字電位器 IC 連接,并建立一個(gè)與滑臂位置等效的數(shù)值(圖 3)。
圖 3:數(shù)字電位器IC 用一個(gè)以數(shù)字方式設(shè)置的電子開關(guān)來模擬機(jī)械式滑臂,從而取代了手動(dòng)設(shè)置式電位器。(圖片來源:Circuits101,修改版)
數(shù)字電位器使用標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 集成電路技術(shù),不需要特殊的制造或處理工藝。表面貼裝數(shù)字電位器 IC 的尺寸通常為 3×3 mm 或更小,遠(yuǎn)小于旋鈕式電位器或甚至是需要用小型螺絲刀調(diào)節(jié)的微調(diào)電位器;在 PC 板生產(chǎn)方面,這種 IC 的處理方式與任何其他表面貼裝技術(shù) (SMT) 集成電路相同。
數(shù)字電位器的內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大體上由一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)電阻串組成,并且在滑臂和這些電阻之間有可數(shù)字尋址電子開關(guān)。發(fā)出數(shù)字指令時(shí)相應(yīng)的開關(guān)閉合,而其他開關(guān)則斷開,從而確立所需的滑臂位置。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)際上有一些不足,包括需要大量的電阻、開關(guān)以及較大的芯片尺寸。
為了最大限度地減少這些問題,供應(yīng)商已經(jīng)設(shè)計(jì)了各種巧妙的電阻器和開關(guān)布局,在確保具有相同效果的情況下減少電阻和開關(guān)的數(shù)量。以上每一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都會(huì)導(dǎo)致在數(shù)字電位器如何確定范圍及其二季特性方面的小差異,但對(duì)用戶來說絕大部分差異都是透明的。在下文中,我們將用“電位器”表示機(jī)電式電位器,用“數(shù)字電位器”表示全電子式電位器。
03 數(shù)字電位器具有一系列規(guī)格、功能
與任何組件一樣,在選擇數(shù)字電位器時(shí)也有主要參數(shù)和次要參數(shù)需要考慮。排名靠前的問題是標(biāo)稱電阻值、分辨率和數(shù)字接口的類型,同時(shí)需要考慮的因素包括容差和誤差源、電壓范圍、帶寬和失真。
● 所需的電阻值,通常稱為端到端電阻,由電路的設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)決定。供應(yīng)商以 1/2/5 的順序提供 5 kΩ 和 100kΩ 之間的電阻值,還有一些其他中間值。此外,還有一些具有擴(kuò)展范圍的器件,可低至 1 kΩ 或者高至 1 MΩ。
● 分辨率定義了數(shù)字電位器能夠提供多少個(gè)離散式步進(jìn)或抽頭設(shè)定值,范圍從 32 到 1024 步,以使設(shè)計(jì)者能夠滿足應(yīng)用需要。請(qǐng)記住,即使是一個(gè)中程 256 步(8 位)數(shù)字電位器的分辨率也比電位器高。
● 微控制器和數(shù)字電位器之間的數(shù)字接口采用標(biāo)準(zhǔn)的串行 SPI、I2C 格式,還有地址引腳,這樣就可以通過一條總線連接多個(gè)設(shè)備。微控制器使用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)編碼方案來指示所需的電阻設(shè)置。諸如 Texas Instruments 的 TPL0501 器件便是此類極簡(jiǎn)型數(shù)字電位器。這是一種具有 SPI 接口的 256 抽頭數(shù)字電位器,非常適合功率耗散和尺寸至關(guān)重要的情況(圖 4)。該器件采用節(jié)省空間的 8 針 SOT-23(1.50 mm × 1.50 mm)和 8 針 UQFN(1.63 mm × 2.90 mm)封裝。
圖4:像 Texas Instruments 的 TPL0501 這樣具有 SPI 接口的基本型數(shù)字電位器,對(duì)于不需要更多功能的空間和功率受限型應(yīng)用來說是一種有效的器件。(圖片來源:Texas Instruments)
例如,在實(shí)際中可將其用于臨床級(jí)可穿戴醫(yī)療設(shè)備,如血氧儀和傳感器補(bǔ)片。該器件在本例中搭配使用TI 的 OPA320 運(yùn)算放大器(圖 5)。通過組合這兩種器件,可以構(gòu)建一個(gè)分壓器,用于控制提供數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 輸出的放大器增益。很明顯有人會(huì)問,為什么不簡(jiǎn)單地使用一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn) DAC?具體原因是,這種臨床應(yīng)用需要高精度、軌至軌模擬輸出,具有高共模抑制比 (CMRR) 和低噪聲。為此,OPA320 的這兩個(gè)指標(biāo)在10 kHz 時(shí)分別為 114 dB 和7 nV/√Hz。
圖 5:數(shù)字電位器可與精密運(yùn)算放大器(如 TI 的 OPA320)配合使用,創(chuàng)建一個(gè)其運(yùn)算放大器輸出性能超凡的 DAC。(圖片來源:Texas Instruments)
此外,還有一些數(shù)字電位器接口變化,可簡(jiǎn)化其在手動(dòng)式音量控制器等應(yīng)用中的使用。另外兩個(gè)選擇是按鈕和上/下 (U/D) 接口。使用按鈕時(shí),用戶可以按下兩個(gè)按鈕中任意一個(gè):一個(gè)用于增加電阻,另一個(gè)用于減少電阻。請(qǐng)注意,該操作過程中沒有處理器參與(圖 6)。
圖 6:采用按鈕式接口時(shí),允許在兩個(gè)手動(dòng)按鈕之間進(jìn)行無(wú)處理器連接,因此可以直接增加/減少數(shù)字電位器的設(shè)置。(圖片來源:Analog Devices)
U/D 接口可以用最小的軟件開銷來實(shí)現(xiàn),并通過一個(gè)簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)編碼器或與處理器相連的按鈕來觸發(fā),使用諸如 Microchip Technology 的 MCP4011 等數(shù)字電位器來實(shí)現(xiàn)。這是一個(gè)基本的 64 步(6位)器件,其電阻值為 2.1 kW、5 kW、10 kW 和 50 kW(圖 7)。
圖 7:像 Microchip Technology 的 MCP4011 這種具有邊沿驅(qū)動(dòng)式 U/D 控制線路和芯片選擇的數(shù)字電位器,只需主微控制器提供最少的 I/O 和軟件資源。(圖片來源:Microchip Technology,有修改)
該器件使用單一的高電平或低電平邊沿觸發(fā),再加上芯片選擇,來增加或減少電阻增量(圖 8)。這樣,就可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)一個(gè)旋鈕,看起來就像傳統(tǒng)的音量控制器,與電位器沒有任何關(guān)系,但又有數(shù)字電位器的各種優(yōu)勢(shì)。
圖 8:數(shù)字電位器的U/D 接口支持使用來自低分辨率編碼器的觸發(fā)器對(duì)電阻值進(jìn)行邊緣觸發(fā)式增減。(圖片來源:Microchip Technology)
數(shù)字電位器的容差可能會(huì)是一個(gè)問題,因?yàn)槿莶钔ǔT陬~定值的 ±10 和 ±20% 之間,這個(gè)范圍在許多比率測(cè)量或閉環(huán)情況下是可以接受的。然而,如果數(shù)字電位器與外部分立電阻器或開環(huán)應(yīng)用中的傳感器相匹配,容差就可能是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。因此,有的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電位器具有更嚴(yán)格的容差,可低至 ±1%。當(dāng)然,與所有的 IC 一樣,電阻溫度系數(shù)、與溫度有關(guān)的漂移也可能是一個(gè)因素。供應(yīng)商在他們的規(guī)格書中規(guī)定了這個(gè)數(shù)字,這樣設(shè)計(jì)者就可以通過 Spice 等電路模型來評(píng)估其影響。其他緊容差選擇將在下文將討論。
盡管在如校準(zhǔn)或偏置點(diǎn)設(shè)置等靜態(tài)應(yīng)用中帶寬和失真不是同一個(gè)考慮因素,但在音頻及相關(guān)應(yīng)用中卻是一個(gè)問題。特定代碼的電阻路徑與開關(guān)寄生、引腳和電路板電容相結(jié)合,會(huì)形成一個(gè)電阻電容 (RC) 低通濾波器。較小的端對(duì)端電阻值產(chǎn)生較高的帶寬,1 kΩ 數(shù)字電位器的帶寬可達(dá)約 5 MHz,1 MΩ 數(shù)字電位器則低至5 kHz。
相比之下,總諧波失真 (THD) 很大程度上是由于不同的應(yīng)用信號(hào)水平下電阻的非線性造成的。端對(duì)端電阻值較大的數(shù)字電位器減少了內(nèi)部開關(guān)電阻相對(duì)于總電阻的貢獻(xiàn),從而使 THD 更低。因此,帶寬與 THD 的關(guān)系是設(shè)計(jì)者在選擇標(biāo)稱數(shù)字電位器值時(shí)必須優(yōu)先考慮和權(quán)衡的一個(gè)因素。典型值范圍為從 20 kΩ 數(shù)字電位器的 -93dB,到 100 kΩ 數(shù)字電位器的 -105dB。
04 數(shù)字電位器的雙重、四重和線性與對(duì)數(shù)變化之比較
除了“免手動(dòng)”可控性能外,數(shù)字電位器更加簡(jiǎn)單,易于設(shè)計(jì)導(dǎo)入且成本遠(yuǎn)低于電位器。數(shù)字電位器的其他功能:
● 在兩個(gè)電阻值必須獨(dú)立調(diào)節(jié)時(shí),雙重?cái)?shù)字電位器便很有用,而且當(dāng)二者必須為同一數(shù)值則優(yōu)勢(shì)更加明顯。雖然可以使用兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)字電位器 IC,但雙重器件還有可以跟蹤電阻值的優(yōu)勢(shì),盡管會(huì)存在容差和漂移;也可以使用四重?cái)?shù)字電位器。
● 線性與對(duì)數(shù) (log) 設(shè)置:雖然調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)應(yīng)用通常要求數(shù)字編碼和合成電阻值之間是線性關(guān)系,但對(duì)數(shù)關(guān)系有利于許多音頻應(yīng)用,可以更好地適應(yīng)音頻情況下所需的分貝調(diào)節(jié)。
為滿足這一需求,設(shè)計(jì)人員可以使用對(duì)數(shù)型數(shù)字電位器,如 Maxim Integrated Products?的 DS1881E-050+。這種雙通道器件采用 5 V 單電源供電,其端到端電阻為 45 kΩ,具有 I2C 接口和地址引腳,允許在總線上連接多達(dá)八個(gè)器件。在兩個(gè)通道中,每個(gè)通道的電阻值都可獨(dú)立設(shè)置,并且為用戶提供了多個(gè)可選的配置設(shè)定值;基本配置為 63 步,每步衰減 1 dB,從 0 dB 到 -62 dB,以及靜音功能(圖 9)。
圖 9:Maxim DS1881E-050+ 雙通道數(shù)碼相機(jī)設(shè)計(jì)用于音頻信號(hào)路徑,在 63dB 范圍內(nèi)增益設(shè)置為 1dB/步。(圖片來源:Maxim Integrated Products)
DS1881E-050+ 能夠最大限度地減少串?dāng)_,且兩個(gè)通道提供 0.5 dB 通道間匹配,以最大限度地減少它們之間的音量差異。該器件還實(shí)現(xiàn)了可防止出現(xiàn)可聞咔噠聲的過零電阻切換,并包括非易失性存儲(chǔ)器;其一般效用將在下文討論。
數(shù)字電位器能夠應(yīng)對(duì)的最大電壓也是一個(gè)考慮因素。低電壓數(shù)字電位器可在低至 +2.5 V(或 ±2.5 V 雙極)電源軌上工作,而更高電壓的數(shù)字電位器,如Microchip Technology 的 MCP41HV31——一款 50 kΩ、128 個(gè)抽頭的 SPI 接口器件,可在高達(dá) 36 V(±18 V)的電源軌上工作。
05 非易失性存儲(chǔ)器協(xié)助電源復(fù)位
基本的數(shù)字電位器有很多優(yōu)點(diǎn),但與電位器相比有一個(gè)不足無(wú)法避免:數(shù)字電位器的設(shè)置在斷電后會(huì)丟失,而且其上電復(fù)位 (POR) 位置是由自身設(shè)計(jì)設(shè)定的,通常在中程部分。不幸的是,對(duì)于許多應(yīng)用來說,這種POR 設(shè)置不可接受。考慮校準(zhǔn)設(shè)置:一旦確定就應(yīng)該保留,直到有意去調(diào)節(jié),即使是切斷線路電源或更換電池也是如此;此外,在許多應(yīng)用中,“正確”設(shè)置是在斷電時(shí)最后使用的設(shè)置。
因此,電位器還能繼續(xù)使用的原因之一是,它們的設(shè)置在電源復(fù)位時(shí)不會(huì)丟失;不過數(shù)字電位器已經(jīng)消除了這一缺陷。最初常見的設(shè)計(jì)是讓系統(tǒng)處理器在運(yùn)行期間回讀數(shù)字電位器的設(shè)置,然后在上電時(shí)重新加載。然而,這樣做造成會(huì)開機(jī)故障,對(duì)系統(tǒng)的完整性和性能來說往往是不可接受的。
為解決這一問題,供應(yīng)商在數(shù)字電位器中使用基于 EEPROM 的非易失性存儲(chǔ)器 (NVM) 技術(shù)。有了 NVM,數(shù)字電位器在電源關(guān)閉時(shí)可保留其最后設(shè)置的滑臂位置,而一次性可編程 (OTP) 版本則允許設(shè)計(jì)者將滑臂的上電復(fù)位 (POR) 位置設(shè)置為預(yù)先定義的值。
NVM 增強(qiáng)了其他方面的性能。例如,Analog Devices 的 AD5141BCPZ10 電阻容差誤差存儲(chǔ)在其 EEPROM 存儲(chǔ)器中(圖 10)。該器件是一款單通道、128/256 位、可重寫的非易失性數(shù)字電位器,支持 I2C 和 SPI 接口。使用已保存的容差值,設(shè)計(jì)者可以計(jì)算出端到端電阻的實(shí)際值,精確度為 0.01%,從而定義“滑臂上方”部分和“滑臂下方”部分的數(shù)字電位器分段比率。這種精度比沒有采用 NVM 的數(shù)字電位器的 1% 精度高一百倍。
圖 10:Analog Devices 的 AD5141BCPZ10 數(shù)字電位器集成了可重寫的非易失性存儲(chǔ)器 (EEPROM),可用于保存所需的上電復(fù)位設(shè)置,以及自身電阻器陣列的校準(zhǔn)系數(shù)。(圖片來源:Analog Devices)
這種線性增益設(shè)置模式允許通過 RAW 和 RWB 電阻串對(duì)數(shù)字電位器端子之間的電阻值進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置,可實(shí)現(xiàn)高精確度電阻匹配(圖 11)。例如,反相放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常需要如此之高的精度,在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,增益是由兩個(gè)電阻的比率決定的。
圖11:對(duì)于使用精確的電阻比來設(shè)置放大器增益的電路來說,數(shù)字電位器中的 NVM 也可以用來保存滑臂上方和下方的校準(zhǔn)電阻值。(圖片來源:Analog Devices)
06 警惕數(shù)字電位器的特異性
雖然在傳統(tǒng)設(shè)備不太理想或不實(shí)用的情況下,數(shù)字電位器被廣泛用于取代傳統(tǒng)器件,但他們確實(shí)有一些需要引起設(shè)計(jì)者注意的特性。例如,電位器的金屬滑臂與電阻元件接觸時(shí)接觸電阻幾乎為零,且溫度系數(shù)通常可以忽略。然而,對(duì)數(shù)字電位器來說,滑臂則是一個(gè) CMOS 元件,其電阻雖小,但意義大,具體為幾十歐到 1 kΩ 范圍內(nèi)。如果 1 mA 電流通過 1kΩ 的滑臂,那么滑臂上產(chǎn)生的 1 V 電壓降可能會(huì)限制輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。
此外,該滑臂的電阻是所施加電壓和溫度的函數(shù),所以導(dǎo)致了非線性,從而使信號(hào)路徑中的交流信號(hào)失真?;鄣牡湫蜏囟认禂?shù)約為百萬(wàn)分之 300 每攝氏度 (ppm/?C),這可能很重要,在進(jìn)行高精度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將其考慮在誤差預(yù)算中。數(shù)字電位器型號(hào)也具有更低的系數(shù)。
結(jié)語(yǔ)
數(shù)字電位器是一種數(shù)字設(shè)置的 IC,在許多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)中取代了經(jīng)典的機(jī)電式電位器。數(shù)字電位器不僅減少了產(chǎn)品尺寸和因意外移動(dòng)而出錯(cuò)的可能性,而且還增加了與處理器的兼容性,從而增加了軟件的兼容性,還具有更高的精度和分辨率(如果需要)以及其他的有用功能。
如圖所示,數(shù)字電位器具有廣泛的標(biāo)稱電阻值、步長(zhǎng)和精度,而增加的非易失性存儲(chǔ)器又?jǐn)U展了其功能,并克服了在許多應(yīng)用中使用時(shí)的一個(gè)重要障礙。
作者: Bill Schweber
來源:DigiKey
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