数字电位器在音频增益控制中的应用

引言

如今，便携式多媒体设备中普遍配备立体声音频播放电路，例如用于 MP3 或移动互联网应用。过去，很多这类电路使用机械电位器进行音量控制，但本文将展示，采用广泛可用的低功耗组件也能实现同样有效的立体声音量控制，且无需机械电位器。

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传统机械电位器设计

工作原理

传统音频音量控制使用具有对数（或音频）锥度的电位器，这是因为人耳对声压级变化的响应大致呈对数关系。通常，电位器旋转的中点会使音频信号衰减约 20dB，从该中点逆时针旋转（CCW）时，衰减迅速增加；从中点顺时针旋转（CW）时，对“更响亮”设置的控制更精细。

存在问题

在小型便携式设备中，使用机械电位器存在一些问题。首先是空间限制，机械电位器体积较大，不利于设备的小型化设计。其次是可靠性问题，机械部件容易出现故障。此外，立体声（或联动）旋转电位器还存在机械跟踪问题，由于机械公差，在调节音量时左右声道的跟踪性能会受到影响。而且，在设计时还需要考虑所需的传递函数，例如是否需要完全衰减，或者应用是否可以使用仅提供约 30dB 调节范围但没有完全关闭位置的增益微调控制。

数字电位器的设计问题

线性特性与对数需求的矛盾

近年来，数字电位器逐渐普及且性能不断提升。常见的数字电位器实际上是线性电位器，其电阻增量是等权重的。而在音频音量控制中，希望每步的 dB 变化大致恒定，因此设计时需要以某种方式模拟对数行为。

电阻变化问题

数字电位器的另一个问题是，由于工艺变化，其端到端总电阻在不同器件之间差异很大，某些类型的差异可达 ±30%。在设计使用单独数字电位器的双声道电路时，必须考虑这种电阻变化，以确保声道之间的匹配。

无毛刺过渡要求

为了实现尽可能无毛刺的过渡，应采用先接后断的抽头结构。

设计示例

示例 1：±6dB 立体声增益微调控制

该电路使用两个 MAX5160L 数字电位器和一个 MAX4252 运算放大器，可在 ±6dB 范围内实现均匀跟踪的增益或衰减，VCC 范围为 2.7V 至 5V，有 32 个可用增益设置。然而，数字电位器 ±25% 的整体电阻变化可能导致较大的增益公差，尤其是在电阻极值设置时，声道之间和不同器件之间的增益差异容易被人耳察觉。虽然可以通过选择或微调支持电阻来改善，但在大规模生产中不可行。

示例 2：改进的 ±6dB 立体声增益微调控制

此电路将 MAX5160L 数字电位器用于分压链，通过 100kΩ 和 50kΩ 电阻为 MAX4252 提供正反馈和负反馈。增益公式为 (A V=left(1 - K{N}right) /left(K{P}-K{N}right))，其中 (K{N}) 是负反馈分数，(K{P}) 是正反馈分数。当 MAX5160L 抽头位于 VREF 端子时，增益为 -0.5V/V；抽头位于中间刻度时，增益为 -2V/V。通过使用 VREF 和中间刻度之间的 17 个位置，可在 ±6dB 范围内调节增益。该电路的增益公差仅受 ±1% 的 100kΩ/50kΩ 电阻和 MAX5160L 的 INL/DNL 误差（最大 ±4.6%）限制。需要注意的是，当 (K{P} ≥2 / 3) 时，电路会达到稳定极限，因此控制 MAX5160L 的主机处理器应避免这种情况发生。

示例 3：传统音量控制设计

该电路使用数字电位器作为传统音量控制的替代方案，所有代码均有效，设置范围从 0dB 到完全衰减。但衰减值的分布不太理想，前 15 个代码的总变化小于 6dB，前 4 个代码的变化小于 1dB。为解决这个问题，可以选择部分代码以实现大致恒定的 dB/步，但这需要数字电位器具有较多的抽头位置（256 或更高），而这类器件通常更昂贵。此外，对线性数字电位器的抽头进行电阻加载会带来一些问题，如电位器的输入阻抗取决于增益设置（最大音量时最低），且端到端电阻的宽公差会影响左右声道的跟踪性能。

示例 4：近恒定 dB/步拓扑

该电路采用少量正反馈，在大部分可用范围内将步长均匀调整到约 1.6dB/步。缺点是负反馈分数 (K_{N}) 必须为 0.5 或更高才能获得可用结果，这意味着大约一半的可用代码被舍弃。不过，剩余的 17 个代码都被使用，且步长在大部分衰减范围内较为一致。该拓扑的一个副作用是，数字电位器的中间刻度值会有 6dB 的增益提升，这通常可以在整个音频路径的增益结构中进行调整。

示例 5：高分辨率立体声音量控制

该电路使用四个 MAX5160L 数字电位器，每个声道的有效代码数量大幅增加，达到 32 x 32 = 1024 个衰减代码。由于两个数字电位器级之间的缓冲，端到端电阻公差没有一阶影响，左右声道的跟踪仅受抽头间匹配精度的限制。抽头电阻的负载效应较小，因为每个抽头都连接到高阻抗运算放大器输入。在 1024 个代码中，有些会给出重复的衰减值，实际有 348 个从 0 到 -60dB（实际 -59.66dB）的独特衰减设置。通过模拟或电子表格方法可以将代码映射到衰减值。该电路的步长粒度分布均匀，大部分步长差异小于 0.5dB，仅在 -41.6dB 时达到 1dB，倒数第二个 6dB 步长在 -53.6dB 和 -59.6dB 之间。但该电路存在控制开销较大的问题，可能需要使用查找表来获取值，并使用某种范围算法来实现平滑的音量过渡。此外，第一个和第二个数字电位器之间抽头电阻匹配的变化可能导致单调性无法保证，使用部分代码（步长较粗）可以保证单调步长，但会牺牲精细步长。

总结

对于大多数情况，图 5 和图 6 的电路在价格、复杂度和性能之间提供了最佳折衷方案。Maxim 还提供了 MAX5400/MAX5401 和 MAX5402 等数字电位器，它们通过 3 线接口控制，具有 256 个抽头，适用于需要稍高分辨率的应用。

相关部件

文中还列出了一系列相关部件，包括 DS1881、DS1882、MAX4252、MAX5160 等数字电位器和运算放大器，这些部件均可免费获取样品。

大家在实际设计中，是否也遇到过类似的问题呢？你会选择哪种电路方案来实现音频增益控制呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。