设计指南 3417

用数字电位器替代机械电位器


摘要 : 数字可调节电位器,也称为数字电位器或digpot,不仅能够在众所周知的音频应用中替代机械电位器,而且能够在所有电子设备中替代传统的机械电位器。作为模/数转换器(DAC)的一种简单、廉价形式,数字电位器以可变电阻形式提供模拟输出。类型包括:易失和非易失两种形式,采用数字架构为系统带来了许多优势。数字电位器不容易受灰尘、污物以及潮湿环境的影响,而机械电位器在这些环境下很容易损坏。

引言

数字电位器的可靠性远远高于机械电位器,能够轻松保证50,000次以上的可靠读写次数,而机械电位器的重复调节次数只能达到几千次甚至几百次。数字电位器的分辨率为32级(5位)至256级(8位)或更高。对于LCD对比度调节等动态范围要求不高的应用,选择较低分辨率的器件即可满足实际应用的要求。目前,有些高分辨率的数字电位器已经成为音频等高保真应用的理想选择,能够提供高达90dB的动态调节范围。

非易失

有些应用要求数字电位器具备非易失存储功能,两种类型的器件(易失和非易失存储器)在市场上都很普及。非易失数字电位器更接近于机械电位器,它能够在不同的外部条件(是否有外部电源供电)下保持阻值。

音频设备需要内部储存音量设置,设备重新上电时要求电位器保持相同的电阻值,即使在电源完全关闭的情况下。

MAX5427/MAX5428/MAX5429系列数字电位器提供独特的编程功能。这些器件为具有一次性编程(OTP)存储器,将电位器抽头的上电复位(POR)位置设置在用户定义的数值(抽头位置保持可调,但重新上电后始终返回到固定的设置位置)。此外,OTP还可以禁止接口通信,将抽头锁存到所要求的固定位置,避免进一步的调节。这种情况下,器件成为一个固定比值的电阻分压器,而非电位器。

音频设计考虑

电位器具有对数抽头和线性抽头,高保真音频设备的音量调节一般选用对数电位器,因为考虑到人耳的非线性滤波特性,对数抽头可以获得线性音量调节。目前,高集成度数字电位器可以在单芯片内集成六路独立的电位器,以支持多声道音频系统,例如:立体声、杜比环绕立体声系统。

音频应用中,特别是在数字电位器调节分辨率较低(32级)时,需要特别注意抽头级间变化过程。如果抽头不是在0V时发生变化,音频系统会产生喀嗒声和噼噗声(图1)。幸运的是,新一代数字电位器具有所谓的过零检测功能,能够在抽头跳变时降低音频噪声。内部过零和超时检测电路确保抽头在检测到过零(0V)信号或经过50ms延时(具体取决于首先发生的条件)后跳变。

图1. 在0V电平切换时,音频喀嗒声和噼噗声的影响
图1. 在0V电平切换时,音频喀嗒声和噼噗声的影响

除了上述数字电位器中的模拟电路外,每个数字电位器还包含一个数字接口。绝大多数电位器可通过传统的I²C或SPI™编程,有些则提供便利的上/下调节接口。

性能改善

与机械电位器相比,数字电位器还具备另一优势。数字电位器的调节抽头直接安装在电路板的信号通路,利用电子调节避免了复杂、昂贵的机械调节装置。数字电位器改善了噪声抑制指标,消除了机械电位器接口电缆的拾取噪声。

传统的数字电位器可直接替代机械电位器,具有相同的工作方式,无需过多的说明。但是,在一些特殊应用中,例如:低成本立体声音量控制,需要一些附加说明。对于音频这一特殊应用,一般要求工作在较宽的电压范围,以支持较宽的音频信号范围。一般选择对数抽头,抽头级数增加时,衰减分贝数随之增大,非常适合人耳的频响特性。有些器件具有静音功能,提供更大的衰减(例如:30dB)。

温度考虑

数字电位器的典型参数之一是温度系数(TC),定义在额定的温度范围。绝大多数电位器需要定义两个不同的TC,一个是绝对端至端TC,该参数代表了电阻随温度变化的绝对值,由下式计算:

ΔR = RUNCOMP × TC × ΔT/106

其中:
RUNCOMP是未经补偿的电阻值,
TC为温度系数,
ΔT为温度变化量。

例如,一个阻值为20kΩ的数字电位器,如果绝对TC为35ppm,则在50°C温度变化范围内将会产生35Ω (0.2%)的阻值变化。另外,20kΩ端到端电阻的初始值可能变化比较明显,变化范围可能在15kΩ至25kΩ。这种情况下,对于一个32抽头的电位器,每级对应的电阻值(增量)可能在470Ω至780Ω。这一变化量远远高于绝对TC的偏差。

另一个典型TC时电阻比值TC,电位器通常用作分压器,特别是在比例设计中,对于绝对电阻值变化(绝对温度系数)的要求与比值变化相比并不严格。例如,5ppm的比例TC能够在整个温度范围内获得非常稳定的增益。

高分辨率应用

数字电位器用于可编程增益放大器(PGA)和仪表放大器(IA)时,对精度的要求通常高于标准调节电路(图2)。这些应用中一般要求在-40°C至+85°C范围内,分压比误差(精度)在0.025%以内。

图2. 利用运算放大器和数字电位器(下方IC)构成精密的可编程增益放大器
图2. 利用运算放大器和数字电位器(下方IC)构成精密的可编程增益放大器

结论

数字电位器与机械电位器相比具有众多优势,除了提高可靠性外,它们还占用更少的空间;由于降低了寄生效应,数字电位器能够提供更好的电特性,并且不易受噪声的影响。 数字电位器能够在各种应用中替代机械电位器,使设计人员和最终用户受益。
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