数字电位计与机械电位器：最大化系统性能的重要设计考虑因素

作者：David Rice and Joseph Creech

本文将详细介绍如何将数字电位计与其他组件一起使用，重点介绍每个用例的重要考虑因素和规格，以确保设计人员获得最佳系统性能。本文将讨论将数字电位计与其他元件（如运算放大器）结合使用以创建灵活的多用途系统时应考虑的重要设计考虑因素和规格。还将探讨数字电位计与传统电位计设计相比的优缺点。本文还将使用大量真实示例来演示数字电位计如何比更传统的替代解决方案提供显着改进。例如，在运算放大器中使用数字电位计作为反馈电阻，允许运算放大器的增益根据输入信号的幅度交替。

数字电位计是数字控制的可变电阻器，可用于代替功能等效的机械对应电阻器。虽然数字电位计提供的功能与机械电位计相当，但在许多设计中，与数字电位计相关的规格、可靠性和可重复性更胜一筹。电位计可用于通过改变器件的电阻来调节电压或电流。然后，当与其他元件（如运算放大器）结合使用时，该调整可用于设置不同的电平或增益。使用数字电位计等可变元件，设计人员可以设计出灵活和多功能的系统。例如，在运算放大器中使用数字电位计作为反馈电阻，允许运算放大器的增益根据输入信号的幅度交替。这为设计人员提供了减少元件（如多个运算放大器）的优势，同时最大限度地提高系统可以工作的输入信号类型，同时减小PCB尺寸。数字电位计在小尺寸内提供多种功能。

数字电位计与机械电位计

数字电位计和机械电位计具有相似之处，因此可以在许多应用中互换。两者都是可调的，提供广泛的端到端电阻，并解决了用户对可调电阻的要求。与数字电位计相比，机械电位计的一些优势包括能够承受更大的电压、更大的载流能力和更大的功耗。然而，由于机械电位计的设计，随着时间的推移，它们容易出现性能变化和可靠性问题。它们对冲击和振动更敏感，机械刮水器接触电阻会因氧化、老化和磨损而发生变化。这会缩短机械电位计的使用寿命。数字电位计由多个CMOS传输门组成（见图1）。由于没有机械元件，数字电位计具有抗冲击、磨损、老化和接触的弹性。

图1.数字电位计—内部结构。

使用数字电位计时应考虑的事项

与所有组件一样，在为您的应用选择正确的组件时，需要考虑一些因素。每个规范的重要性排名将取决于最终用途和其他系统考虑因素。

表 1.选择数字电位计时的重要考虑因素

输入信号电压	最大电流和功率	端到端电阻	公差和温度系数	分辨率/通道密度
线性	开	记忆	接口	大小

了解这些考虑因素的最佳方法是了解它们如何影响特定应用中数字电位计的选择。因此，我们现在将更详细地研究数字电位计的两个重要用例。

数字电位计常用的一些应用如下：

直流和交流信号衰减器

改变运算放大器的增益

如何使用数字电位器作为衰减器

数字电位计可用于仿真简单的低分辨率数模转换器（DAC）。图 2 显示了此设置以及一些常见的术语。端到端电阻定义为RAB，即端子A和B之间的电阻。嗖嗖和 R工 务 局参考游标和端子之间的电阻。传递函数也如图2所示。

图2.数字电位计作为低分辨率DAC。

对于此设置，在选择数字电位计时需要注意三个关键参数。电源电压范围、数字电位计分辨率和线性度。

电源电压1和分辨率2这些规格涵盖了数字电位计可以通过的输入范围以及可以实现的不同电阻电平的数量，因此是重要的考虑因素。数字电位计的线性度的指定方式与使用INL（积分非线性）和DNL（数字非线性）的DAC类似。INL是指实际数字电位器与从零电平到满量程的理想直线的最大偏差。DNL是指连续代码的输出和理想传递函数之间的差异。

对于交流应用，与直流电源相同的参数也适用（电源电压范围、分辨率和线性度）。总谐波失真（THD）和带宽也是应考虑的关键因素。

如何使用数字电位计创建可变增益运算放大器

数字电位计在改变运算放大器增益方面非常有用。Rb/Ra的增益比可以使用数字电位计精确设置和改变。利用增益控制的应用包括音量控制、传感器校准和LCD屏幕的对比度/亮度。但是，在配置过程中必须考虑许多数字电位计特性。

当数字电位计在电位计模式下使用时，当电阻从零电平增加到满量程时，必须了解数字电位计的传递函数。作为R之间的电阻嗖嗖增加，RBW减少，这将产生对数传递函数。对数传递函数更适合人耳和眼睛反应（图3（a））。

如果应用需要线性响应，数字电位计可以通过在变阻器模式下使用数字电位计（图3（b））、游标DAC配置（图3（c））或通过线性增益设置模式（ADI digiPOT+系列产品（如AD5144）独有的特性）进行线性化（图3（d））。

图3.电位计配置。

带分立电阻器的变阻器模式

在变阻器模式下使用数字电位计并将其与分立电阻串联，输出可以线性化（图 3（b））。这是一个简单的设计，但是，需要考虑一些设计考虑因素以保持系统精度。

出于不同的原因，机械和数字电位计都有电阻容差。对于机械电位计，由于难以实现可重复值，容差可能会有所不同。对于数字电位计，由于制造过程而存在公差，但与机械电位计相比，其值的可重复性要高得多。

分立式表面贴装电阻的失调可能小至1%，但某些数字电位计的端到端电阻容差可达20%。正是这种不匹配可能导致分辨率损失，并且可能是一个重大问题，特别是在开环应用中，监控无法补偿误差。在可以监控的情况下，数字电位计的内置灵活性允许简单的校准程序来调整数字电位计的游标位置并调整任何偏移。

ADI公司的数字电位计产品组合的额定容差从20%到1%不等，以满足最严格的精度和准确度要求。一些数字电位计，如AD5258/AD5259，在出厂时测试容错，并将结果存储在用户可访问的存储器中，以便在生产时进行电阻匹配。

线性增益设置模式

最后一种方法是ADI公司digiPOT+产品组合独有的线性增益设置模式。图 3（d） 显示了实现的专利架构如何允许对每个字符串 R 的值进行独立编程嗖嗖和 R工 务 局.使用此模式允许通过固定一个字符串的输出（R工 务 局） 并设置另一个字符串 （R嗖嗖).此操作类似于使用带分立电阻的变阻器模式数字电位计。但是，总容差误差小于1%，没有任何额外的并联或串联电阻组合。

这是由于电阻误差造成的，因为它在两个电阻串阵列中都很常见，可以忽略不计。图4显示，在较高代码下，两个电阻之间的失配误差很小。在低于四分之一量程的代码中，失配确实会增加到±1%以上，但这是由于内部CMOS开关电阻的影响增加了误差，这是不容忽视的。

图4.10k 电阻匹配错误。

为什么内存对应用程序很重要

当使用数字电位计设置电路中的电平或校准传感器和增益设置时，数字电位计的上电状态对于确保准确和快速的配置非常重要。数字电位计提供多种选项，以确保器件在用户的首选状态下上电。数字电位计分为两类：

非易失性—器件具有片上存储器元件，用于存储用户选择的游标位置，以便在上电时进行配置。

易失性—器件没有可编程存储器，而是根据器件配置，器件以零电平、中间电平或满量程为游标位置上电。有关完整详细信息，请参阅每个产品的数据手册。

在非易失性数字电位计分类中，还有其他选项：

电丙胺

一次性可编程 （OTP）

多次可编程 （MTP）

多种存储器选项允许根据特定系统定制数字电位计选择。例如，对于需要不断调整的系统，可以使用易失性数字电位计。对于只需要在工厂测试中进行校准的系统，可以使用OTP电位计。EEPROM数字电位计可用于保持最后一个游标位置，以便在上电时，数字电位计将返回到上一个状态，并且可以在上电后根据需要继续调整。

总结

如前所述，数字电位计可用于创建易于使用的可调信号链，取代机械电位计，从而提高规格、可靠性和PCB面积。通过考虑上述考虑因素，可以实现这些改进并减少系统设计考虑。

审核编辑：郭婷