应用笔记 4101

区分数字电位器的性能


摘要 : 数字电位器(digipot)能够在各种应用中为模拟电路提供便利的电阻、电压和电流的数字控制与调节。该应用笔记介绍了数字电位器的基本功能,说明了如何改进数字电位器以提高系统的性能,简化设计,满足特殊应用的需求。

概述

数字电位器,或digipot,方便了模拟电路的电阻、电压以及电流的数字控制和调整。数字电位器通常用于电源校准、音量控制、亮度控制、增益调节以及光模块的偏置/调制电流调节。数字电位器除基本功能外,还提供许多其它功能,以增强系统性能,简化设计。这些功能包括:不同类型的非易失存储器、过零检测、去抖动按键接口、温度补偿和写保护。 这些功能针对不同的应用而设计。

基本的数字电位器设计

电位器实际上是一个三端元件(见图1a)。低端VL在内部连接至器件地或作为引脚输出,便于设计。三端数字电位器的结构实质上是一个具有固定端到端电阻的可调节分压电阻。

可变电阻是双端电位器,抽头和一个电阻串端点的阻值可变(参考图1b)。调节可变电阻数字电位器的抽头位置,可以改变数字电位器的端到端电阻。

图1. (a) 三端数字电位器的结构实质上是一个具有固定端到端电阻的可调节分压电阻。(b) 可变电阻为双端数字电位器,抽头内部连接到电位器的一端。
图1. (a) 三端数字电位器的结构实质上是一个具有固定端到端电阻的可调节分压电阻。(b) 可变电阻为双端数字电位器,抽头内部连接到电位器的一端。

简单地说,数字电位器是由数字输入控制的模拟输出,类似于数/模转换器(DAC)的定义。与DAC不同的是,DAC提供经过缓冲的输出,而绝大多数数字电位器在没有外部缓冲器的情况下不能驱动低阻负载。

对于数字电位器,最大抽头电流范围为几百微安到毫安级。当数字电位器的抽头连接到低阻负载时,无论是可变电阻还是真正的数字电位器,一定要确保在最糟糕的工作条件下抽头电流处于可接受的IWIPER范围。可变电阻的最差负载发生在VW接近VH时。在这个点上,电路中除抽头电阻以外可能没有其它电阻限制电流。但是,有些应用中可能要求很大的抽头电流,这种情况下,需要重点考虑电位器抽头的压降,这个压降限制了数字电位器的输出动态范围。

根据应用需求改进设计

数字电位器的应用范围很广,一些设计中可能需要外加器件,以满足对数字电位器的“精密调节”要求。例如,数字电位器的端到端电阻范围为10kΩ和200kΩ,而控制LED亮度时常常需要小电阻。解决这个问题的方案是DS3906,该芯片与105Ω的固定电阻并联使用,可提供70Ω至102Ω的等效电阻。这种配置下可以获得0.5Ω的步进调节,精确调节LED亮度。另一个解决方案是多通道数字电位器,如MAX5477MAX5487,可以多个通道相互组合得到不同的调节电阻步长,达到数字电位器的分辨率要求。

有些情况可能需要更特殊的数字电位器功能,对于需要温度补偿的电压或电流调节,如光模块的光驱动器偏置,可以选择基于查找表的可变电阻。一些数字电位器集成了EEPROM (用于存储温度变化时的校准数据)和内部温度传感器(用于测量环境温度)。数字电位器按照测量温度在查找表中检索到对应的数值,调整可变电阻。基于温度查找表的数字电位器通常用来修正电路元件的非线性温度响应,如激光二极管或光电二极管;也可以根据应用需要,有意建立一个非线性电阻的温度响应。

非易失存储器是数字电位器中引入的比较常见的低成本功能电路,标准的基于EEPROM的非易失(NV)数字电位器在上电复位(POR)期间进入一个已知状态。EEPROM能够确保50,000次的重复写次数,相对于机械电位器,大大提高了系统的可靠性。一次性编程(OTP)数字电位器,如MAX5427/MAX5428/MAX5429,采用熔丝设置,永久保存默认的抽头位置。与基于EEPROM的数字电位器一样,POR后OTP数字电位器初始化到已知状态。然而,OTP数字电位器的POR状态一旦编程后不能重写。所以,OTP很适合工厂编程或产品校准。熔丝永久性地设置OTP数字电位器的POR抽头位置,无需锁定抽头位置。有些OTP数字电位器的抽头在熔丝编程后可以调节;有些OTP数字电位器的抽头位置则被永久性地设置,得到一个精确的、经过校准的电阻分压器。一些数字电位器提供锁定寄存器,或数字控制输入,使数字电位器接口呈高阻态,避免不恰当的抽头调整。EEPROM数字电位器的写保护功能还降低了功耗。

数字电位器可以在电源或其它需要工厂校准的系统中完成电压和电流校准。与机械电位器或分离电阻等费时且不精确的手动校准相比,数字电位器有助于提高制造商的生产能力,改善校准精度和重复性指标。另外,数控电位器便于远程调试和重新校准。需要校准多个电压和/或电流时,使用DS3904/DS3905等三路NV数字电位器非常理想(图2)。这种情况下,一个小体积数字电位器可以代替三个机械电位器。用数字电位器替代机械电位器还有助于提高电路布局的灵活性,因为数字电位器不需要在安装或维护期间进行机械调整。校准是OTP或EEPROM写保护功能的典型应用,其中EEPROM写保护更有利于设计。

图2. DS3904/DS3905三路非易失数字电位器,可理想用于需要校准多路电压/电流的系统。这款小尺寸IC可以替代3个机械电位器。
图2. DS3904/DS3905三路非易失数字电位器,可理想用于需要校准多路电压/电流的系统。这款小尺寸IC可以替代3个机械电位器。

虽然不是数字电位器,DS4303等具有简单的单线数字控制接口的采样/保持电压基准也能用于产品校准(图3)。紧凑的设计非常符合校准的需求,电压基准输出在被控制信号锁定之前取决于输入电压,输出锁定后,除非重新编程或掉电,否则输出将不再发生变化,与输入电压无关。最新产品把锁定后的输出电压存储在EEPROM中,电源上电后可重新恢复。

图3. 非易失采样/保持电压基准DS4303,虽然不是数字电位器,但可理想用于产品校准。校准时,在被控制信号(ADJ)锁定之前,DS4303输出(VOUT)取决于输入电压(VIN)。
图3. 非易失采样/保持电压基准DS4303,虽然不是数字电位器,但可理想用于产品校准。校准时,在被控制信号(ADJ)锁定之前,DS4303输出(VOUT)取决于输入电压(VIN)。

改进后的按键接口是传统接口(如SPI™、I²C、增/减和旋转控制)的补充。带有缓冲输出的数字电位器MAX5486使用了这种接口。这种经过去抖的按键接口基于按键按下的时间,用变化的速度控制抽头动作。按键接口不需要微控制器,降低了系统设计的复杂度。去抖动按键接口对于音量控制尤其重要。

针对音频应用设计的数字电位器通常提供过零检测电路,过零检测可以抑制抽头从一个位置跳变到另一个位置时的可闻噪声。该功能使能后,过零检测电路将抽头动作推迟到VL接近VH时。很多过零检测电路还提供最大抽头变化的延迟,方便直流调节及其它特定电路。

结论

简单的易失性数字电位器在系统设计中仍然实用,而针对特殊应用设计的数字电位器和可变电阻提供了更多的功能。目前,很多设计者希望替换机械电位器,提高系统的可靠性和在整个工作温度范围内的性能,省去系统微处理器,或抑制咔嗒/噼噗声。对于这些需求,数字电位器充分展现它的优势,数字电位器的应用越来越普遍。

类似文章发表于Electronic Products 2005年5月。

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