作者：David Rice and Joseph Creech

本文將詳細(xì)介紹如何將數(shù)字電位計(jì)與其他組件一起使用，重點(diǎn)介紹每個(gè)用例的重要考慮因素和規(guī)格，以確保設(shè)計(jì)人員獲得最佳系統(tǒng)性能。本文將討論將數(shù)字電位計(jì)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(shí)應(yīng)考慮的重要設(shè)計(jì)考慮因素和規(guī)格。還將探討數(shù)字電位計(jì)與傳統(tǒng)電位計(jì)設(shè)計(jì)相比的優(yōu)缺點(diǎn)。本文還將使用大量真實(shí)示例來(lái)演示數(shù)字電位計(jì)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(jì)作為反饋電阻，允許運(yùn)算放大器的增益根據(jù)輸入信號(hào)的幅度交替。

數(shù)字電位計(jì)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(duì)應(yīng)電阻器。雖然數(shù)字電位計(jì)提供的功能與機(jī)械電位計(jì)相當(dāng)，但在許多設(shè)計(jì)中，與數(shù)字電位計(jì)相關(guān)的規(guī)格、可靠性和可重復(fù)性更勝一籌。電位計(jì)可用于通過(guò)改變器件的電阻來(lái)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(shí)，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(jì)等可變?cè)?，設(shè)計(jì)人員可以設(shè)計(jì)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(jì)作為反饋電阻，允許運(yùn)算放大器的增益根據(jù)輸入信號(hào)的幅度交替。這為設(shè)計(jì)人員提供了減少元件（如多個(gè)運(yùn)算放大器）的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)最大限度地提高系統(tǒng)可以工作的輸入信號(hào)類型，同時(shí)減小PCB尺寸。數(shù)字電位計(jì)在小尺寸內(nèi)提供多種功能。

數(shù)字電位計(jì)與機(jī)械電位計(jì)

數(shù)字電位計(jì)和機(jī)械電位計(jì)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(duì)可調(diào)電阻的要求。與數(shù)字電位計(jì)相比，機(jī)械電位計(jì)的一些優(yōu)勢(shì)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(jì)的設(shè)計(jì)，隨著時(shí)間的推移，它們?nèi)菀壮霈F(xiàn)性能變化和可靠性問(wèn)題。它們對(duì)沖擊和振動(dòng)更敏感，機(jī)械刮水器接觸電阻會(huì)因氧化、老化和磨損而發(fā)生變化。這會(huì)縮短機(jī)械電位計(jì)的使用壽命。數(shù)字電位計(jì)由多個(gè)CMOS傳輸門(mén)組成（見(jiàn)圖1）。由于沒(méi)有機(jī)械元件，數(shù)字電位計(jì)具有抗沖擊、磨損、老化和接觸的彈性。

圖1.數(shù)字電位計(jì)—內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

使用數(shù)字電位計(jì)時(shí)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(shí)，需要考慮一些因素。每個(gè)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(jì)時(shí)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(jì)的選擇。因此，我們現(xiàn)在將更詳細(xì)地研究數(shù)字電位計(jì)的兩個(gè)重要用例。

數(shù)字電位計(jì)常用的一些應(yīng)用如下：

直流和交流信號(hào)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(jì)可用于仿真簡(jiǎn)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(jiàn)的術(shù)語(yǔ)。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(jì)作為低分辨率DAC。

對(duì)于此設(shè)置，在選擇數(shù)字電位計(jì)時(shí)需要注意三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。電源電壓范圍、數(shù)字電位計(jì)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(jì)可以通過(guò)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(jì)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(duì)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）?？傊C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(jì)創(chuàng)建可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器

數(shù)字電位計(jì)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(jì)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(duì)比度/亮度。但是，在配置過(guò)程中必須考慮許多數(shù)字電位計(jì)特性。

當(dāng)數(shù)字電位計(jì)在電位計(jì)模式下使用時(shí)，當(dāng)電阻從零電平增加到滿量程時(shí)，必須了解數(shù)字電位計(jì)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(duì)數(shù)傳遞函數(shù)。對(duì)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(jì)可以通過(guò)在變阻器模式下使用數(shù)字電位計(jì)（圖3（b））、游標(biāo)DAC配置（圖3（c））或通過(guò)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(jì)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(jì)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(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，但是，需要考慮一些設(shè)計(jì)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(jì)都有電阻容差。對(duì)于機(jī)械電位計(jì)，由于難以實(shí)現(xiàn)可重復(fù)值，容差可能會(huì)有所不同。對(duì)于數(shù)字電位計(jì)，由于制造過(guò)程而存在公差，但與機(jī)械電位計(jì)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(jì)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(gè)重大問(wèn)題，特別是在開(kāi)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(jì)的內(nèi)置靈活性允許簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)程序來(lái)調(diào)整數(shù)字電位計(jì)的游標(biāo)位置并調(diào)整任何偏移。

ADI公司的數(shù)字電位計(jì)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(jì)，如AD5258/AD5259，在出廠時(shí)測(cè)試容錯(cuò)，并將結(jié)果存儲(chǔ)在用戶可訪問(wèn)的存儲(chǔ)器中，以便在生產(chǎn)時(shí)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(duì)每個(gè)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(guò)固定一個(gè)字符串的輸出（R工 務(wù) 局） 并設(shè)置另一個(gè)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(jì)。但是，總?cè)莶钫`差小于1%，沒(méi)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€(gè)電阻串陣列中都很常見(jiàn)，可以忽略不計(jì)。圖4顯示，在較高代碼下，兩個(gè)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(huì)增加到±1%以上，但這是由于內(nèi)部CMOS開(kāi)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(cuò)誤。

為什么內(nèi)存對(duì)應(yīng)用程序很重要

當(dāng)使用數(shù)字電位計(jì)設(shè)置電路中的電平或校準(zhǔn)傳感器和增益設(shè)置時(shí)，數(shù)字電位計(jì)的上電狀態(tài)對(duì)于確保準(zhǔn)確和快速的配置非常重要。數(shù)字電位計(jì)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(jì)分為兩類：

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

易失***件沒(méi)有可編程存儲(chǔ)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(qǐng)參閱每個(gè)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

在非易失性數(shù)字電位計(jì)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(chǔ)器選項(xiàng)允許根據(jù)特定系統(tǒng)定制數(shù)字電位計(jì)選擇。例如，對(duì)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(jì)。對(duì)于只需要在工廠測(cè)試中進(jìn)行校準(zhǔn)的系統(tǒng)，可以使用OTP電位計(jì)。EEPROM數(shù)字電位計(jì)可用于保持最后一個(gè)游標(biāo)位置，以便在上電時(shí)，數(shù)字電位計(jì)將返回到上一個(gè)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(jì)可用于創(chuàng)建易于使用的可調(diào)信號(hào)鏈，取代機(jī)械電位計(jì)，從而提高規(guī)格、可靠性和PCB面積。通過(guò)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(jì)考慮。

審核編輯：郭婷