作者：Joseph Creech和 David Rice，ADI公司

摘要

本文詳細介紹如何結合使用數字電位計及其他元件，其中重點說明了對于所有用例都極為重要的設計考慮因素和規格(用于確保設計人員獲得最佳的系統性能)。本文還將論述結合使用數字電位計和其他元件(例如運算放大器)來創建靈活的多用途系統時應考慮到的重要設計考慮因素和規格。另外，本文還將探究數字電位計與傳統電位計相比的設計優缺點。在本文中，還使用了許多實例來證明：數字電位計所能提供的改善比更傳統的替代解決方案還要顯著。例如，在運算放大器中，用數字電位計作為反饋電阻，可以使運算放大器的增益根據輸入信號的幅度而交替。

數字電位計是數控可變電阻器，可取代功能等同的機械電阻器。盡管數字電位計在功能上與機械電位計類似，但在技術規格、可靠性以及可重復性等方面極為出眾，適用于許多設計。電位計的作用是通過改變設備電阻來調整電壓或電流。然后，當與其他元件(如運算放大器)配合使用時，此調整可用于設置不同的電平或增益。設計人員使用數字電位計這樣的可變元件可設計出靈活的多功能系統。例如，在運算放大器中，用數字電位計作為反饋電阻，可以使運算放大器的增益根據輸入信號的幅度而交替。這樣，設計人員就可以減少元件數量(如多個運算放大器)，最大限度增加系統可支持的輸入信號類型，同時減小PCB尺寸。數字電位計具有小尺寸和多功能特性。

數字電位計與機械電位計

數字電位計和機械電位計具有一些共同點，在許多應用中可以互換。兩者都是可調的，提供各種端到端電阻選項，可滿足對用戶可調電阻的需求。機械電位計相對于數字電位計的一些優勢包括：可耐受更高電壓，載流能力更強，功耗也較大。然而，受設計制約，隨著時間的推移，機械電位計的性能可能改變，出現可靠性問題。它們對沖擊和振動更加敏感，機械游標觸點電阻可能因氧化、老化和磨損而改變。這會縮短機械電位計的可用壽命。

數字電位計由多個CMOS傳輸門組成(見圖1)。由于不存在機械元件，因此，數字電位計對沖擊、磨損、老化和觸點具有較高的耐受能力。

使用數字電位計時需考慮的因素

如所有元件一樣，在針對具體應用選擇正確的元件時，有些因素是必須考慮的。各項規格的重要性排序取決于最終用途和其他系統考慮因素。

表1. 選擇數字電位計時的重要考慮因素

了解這些考慮因素的最佳方法是查看它們如何影響特定應用中數字電位計的選擇。因此，我們現在將更詳細地查看數字電位計的兩個重要用例。

數字電位計的常見應用如下：

? 直流和交流信號衰減器
? 改變運算放大器的增益

如何將數字電位計用作衰減器

A數字電位計可用于仿真簡單的低分辨率數模轉換器(DAC)。圖2顯示了此設置以及部分常見術語。端到端電阻被定義為RAB，即A、B兩端子間的電阻。RAW和RWB指的是游標和端子之間的電阻。圖2還列出了傳遞函數。

在此設置中，選擇數字電位計時需要注意三個關鍵參數：電源電壓范圍、數字電位計分辨率和線性度。
電源電壓1和分辨率2是非常重要的考慮因素，因為這兩項規格涉及數字電位計可以通過的輸入范圍以及可以實現的不同電阻水平數量。數字電位計的線性度表示方式與DAC相似，即使用INL (積分非線性)和DNL (數字非線性)來衡量。INL指真實數字電位計與從零電平到滿量程所畫理想直線之間的最大偏差。DNL指連續代碼的輸出與理想傳遞函數之差。

對于交流應用，與直流電源相同的參數同樣適用(電源電壓范圍、分辨率和線性度)。總諧波失真(THD)和帶寬這兩個重要因素也應予以考慮。

創建可變增益運算放大器時如何使用數字電位計

數字電位計在改變運算放大器的增益時非常有用。運用數字電位計，可以精確設置和改變Rb/Ra增益比。利用增益控制的應用包括音量控制、傳感器校準和液晶顯示屏中的對比度/亮度。然而，在配置過程中必須考慮數字電位計的多個特性。

如果在電位計模式下使用數字電位計，則在電阻從零電平增至滿量程的過程中，必須知道數字電位計的傳遞函數。隨著RAW間的電阻增加，RBW間的電阻降低，這會形成對數傳遞函數。對數傳遞函數更適用于人耳和人眼響應。(圖3(a))如果應用要求線性響應，可通過以下方式線性化數字電位計：在變阻器模式下使用數字電位計(圖3(b))；采用游標DAC配置(圖3(c))；或通過線性增益設置模式，該功能為ADI digiPOT+系列器件(如AD5144)的獨有功能(圖3(d))。

可變電阻器模式下結合使用分立電阻器

在變阻器模式下使用數字電位計，并將其與分立式電阻串聯，可以線性化輸出(圖3(b))。這種設計雖然簡單，但要維持系統精度，必須考慮一些設計因素。

出于不同原因，機械電位計和數字電位計都具有一定的電阻容差。對于機械電位計，容差可能因實現可重復值的難度而變化。對于數字電位計，雖然制造工藝也會造成容差，但與機械電位計相比，其值的可重復性高得多。

分立式表貼電阻器的失調可能低至1%，而有些數字電位計的端到端電阻容差則可能高達20%。這種不匹配可能導致分辨率下降，結果可能造成嚴重問題，在無法實施監控以補償誤差的開環應用中尤其如此。在可以實施監控的應用中，因數字電位計本身極其靈活，因而可以通過簡單的校準程序來調整數字電位計的游標位置，并針對任何失調進行調整。

ADI公司的數字電位計產品組合的額定容差范圍為1%至20%，以滿足最為嚴苛的精度和準確度需求。某些數字電位計(如AD5258/AD5259)經過誤差容差出廠測試，并將結果存儲在用戶可訪問的存儲器中，以便在生產時實現電阻匹配。

線性增益設置模式

最后一種方法是使用ADI digiPOT+產品組合獨有的線性增益設置模式。圖3(d)展示了如何通過專有架構對各個RAW和RWB串的值進行獨立編程。運用此模式可通過固定一個串(RWB)的輸出和設置另一個串(RAW)的方式來實現線性輸出。這種方式類似于將變阻器模式下的數字電位計與分立式電阻結合使用，但整體容差誤差低于1%，并且無需任何額外的并聯或串聯電阻。

這是電阻誤差所致，在兩個電阻串陣列中都很常見，可以忽略不計。圖4表明，兩個電阻之間的失配誤差在較高代碼下很小。當代碼小于?量程時，失配的確會超過±1%，但是，造成這種情況的原因是內部CMOS開關電阻效應增加了誤差，此誤差不能忽略。

存儲器在應用中為何如此重要

在利用數字電位計設置電路電平，或者校準傳感器和增益設置時，數字電位計的上電狀態對于確保準確而快速的配置非常重要。數字電位計提供多種選項，以確保器件能以用戶首選狀態上電。數字電位計有兩類：

? 非易失性—器件集成了片內存儲器元件，用于存儲用戶選定的、在上電時需要配置的游標位置。
? 易失性—器件不具備可編程存儲器，而是根據器件配置在零電平、中間電平或滿量程下為游標位置加電。有關詳情請參見每種產品的數據手冊。

非易失性數字電位計還有一些其他選項：

? EEPROM
? 一次性可編程(OTP)
? 多次可編程(MTP)

廣泛的存儲器選項允許針對特定系統定制數字電位計選擇。例如，對于要求恒定調整的系統，可使用易失性數字電位計。對于只要求工廠測試校準的系統，則可使用OTP電位計。EEPROM數字電位計可用于保持上次游標位置，這樣，上電時，數字電位計可返回上次狀態，并且可在上電后繼續根據需要進行調整。

小結

如上文所示，數字電位計可替代機械電位計來創建易用的可調節信號鏈，從而改善規格、可靠性和PCB面積。設計時考慮上述因素即可實現這些改善以及減少系統設計考慮因素。

作者簡介

David Rice是ADI公司愛爾蘭利默里克的線性精密技術部門的digiPOTs應用工程師。David擁有科克理工學院嵌入式系統工程碩士學位，于2012年畢業后加入ADI公司。聯系方式：david.rice@analog.com。

Joseph Creech于2005年獲得科克大學工學學士學位，于2013年獲得利默里克大學工商管理碩士學位。Joseph于2005年加入ADI公司，從事多條產品線的應用與功能評估工作。Joseph目前擔任digiPOT產品組合營銷工程師。聯系方式：joseph.creech@analog.com。