深入了解digiPOT規(guī)格與架構(gòu)，提升交流性能

數(shù)字電位計(jì)(digiPOT)通常用于方便的調(diào)整傳感器的交流或直流電壓或電流輸出、電源供電、或其他需要某種類型校準(zhǔn)的器件，比如定時(shí)、頻率、對比度、亮度、增益，以及失調(diào)調(diào)整。數(shù)字設(shè)置幾乎可以避免機(jī)械電位計(jì)相關(guān)的所有問題，比如物理尺寸、機(jī)械磨損、游標(biāo)調(diào)定、電阻漂移，以及對振動(dòng)、溫度和濕度敏感等問題，還可以消除因使用螺絲刀導(dǎo)致的布局不靈活問題。

digiPOT有兩種使用模式，即電位計(jì)模式或可變電阻器模式。圖1所示為電位計(jì)模式，此時(shí)有3個(gè)端子，信號通過A端和B端連接，W端(類似游標(biāo)）則提供衰減的輸出電壓。當(dāng)數(shù)字比率控制輸入為全零時(shí)，游標(biāo)通常與B端連接。

圖1.電位計(jì)模式

游標(biāo)硬連線至任一端時(shí)，電位計(jì)就變成了簡單的可變電阻器, 如圖2所示?？勺冸娮杵髂Ｊ綍r(shí)需要的外部引腳更少，因此尺寸更小。部分digiPOT只有可變電阻器模式。

圖2.可變電阻器模式

digiPOT電阻端的電流或電壓極性沒有限制，但是交流信號的幅度不能超過電源供電軌(V_DD 和 V_SS)器件在可變電阻器模式，尤其是低電阻設(shè)置狀態(tài)下工作時(shí)，最大電流或電流密度, 應(yīng)加以限制.

典型應(yīng)用
信號衰減是電位計(jì)模式的固有特性，因?yàn)樵撈骷举|(zhì)上屬于分壓器。輸出信號定義為: V_OUT = V_IN × (R_DAC/R_POT), 其中 R_POT是digiPOT的標(biāo)稱端對端電阻， R_DAC 是通過數(shù)字方式選擇的W端和輸入信號參考引腳之間的電阻，參考引腳通常為B端，如圖3所示.

圖3.信號衰減器

信號放大需要有源器件，通常是反相或同相放大器。通過適當(dāng)?shù)脑鲆婀?，電位?jì)模式或可變電阻器模式均可使用

圖4顯示的是同相放大器，此時(shí)digiPOT相當(dāng)于電位計(jì)，可通過反饋調(diào)整增益。由于部分輸出會(huì)反饋, R_AW/(R_WB + R_AW),應(yīng)等于輸入，理想增益為：

圖4.電位計(jì)模式中的同相放大器

該電路的增益與R_AW, 成反比R_AW接近零時(shí)會(huì)迅速上升，顯示出雙曲線傳遞函數(shù)特性。為了限制最大增益，可插入一個(gè)電阻與R_AW（位于增益公式的分母內(nèi)）串聯(lián)

如果需要線性增益關(guān)系，可以采用可變電阻器模式以及固定外部電阻，如圖5所示，增益現(xiàn)定義如下：

圖5.可變電阻器模式中的同相放大器

將低電容端（最新器件中為W引腳）連接至運(yùn)算放大器輸入可獲得最佳性能.

digiPOT用于信號放大的優(yōu)勢
圖4和圖5所示的電路具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，可工作于單極性和雙極性信號。digiPOT可用于游標(biāo)操作，采用固定外部電阻在更小的范圍內(nèi)提供更高的分辨率，還可用于運(yùn)算放大器電路，信號有無反轉(zhuǎn)均可。此外，digiPOT的溫度系數(shù)較低，電位計(jì)模式時(shí)通常為5 ppm/°C，可變電阻器模式時(shí)則為35 ppm/°C。

digiPOT用于信號放大的限制
處理交流信號時(shí)，digiPOT的性能受帶寬和失真的限制。受寄生器件影響，帶寬是指在小于3 dB衰減時(shí)能夠通過digiPOT的最大頻率。總諧波失真 (THD)（此處定義為后四個(gè)諧波的rms之和與輸出基波值的比值）是信號通過器件時(shí)衰減的量度。這些規(guī)格涉及的性能限制由內(nèi)部digiPOT架構(gòu)決定。通過分析，我們可以更好地全面了解這些規(guī)格，減少其負(fù)面

內(nèi)部架構(gòu)已從傳統(tǒng)的串聯(lián)電阻陣列（如圖6a所示）發(fā)展至分段式架構(gòu)（如圖6b所示）。主要的改進(jìn)是減少了所需內(nèi)部開關(guān)的數(shù)量。第一種情況采用串行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開關(guān)數(shù)量為N = 2ⁿ是分辨率的位數(shù)。 n = 10, 時(shí)，需要1024個(gè)開關(guān)

圖6. a)傳統(tǒng)架構(gòu)，b)分段式架構(gòu)

專有（專利）分段式架構(gòu)采用級聯(lián)連接，可以最大限度地減少開關(guān)總數(shù)。圖6b的例子顯示的是兩段式架構(gòu)，由兩種類型的模塊組成，即左側(cè)的MSB和右側(cè)的LSB。

左側(cè)上下模塊是一串用于粗調(diào)位數(shù)的開關(guān)（MSB段）。右側(cè)模塊是一串用于精調(diào)位數(shù)的開關(guān)（LSB段）。MSB開關(guān)粗調(diào)后接近R_A/R_B比。LSB串的總電阻等于MSB串中的單個(gè)阻性元件，LSB開關(guān)可對主開關(guān)串上的任一點(diǎn)進(jìn)行比率精調(diào)。A和B MSB開關(guān)為互補(bǔ)碼。

分段式架構(gòu)的開關(guān)數(shù)量為:

N = 2^{m + 1} + 2^{n – m},

其中n是總位數(shù)，m是MSB字的分辨率位數(shù)。例如n = 10 and m = 5, 則需要96個(gè)開關(guān)。

分段式方案需要的開關(guān)數(shù)少于傳統(tǒng)開關(guān)串:

兩者相差的開關(guān)數(shù) = 2ⁿ – (2^{m + 1} + 2^{n – m})

在該例中，節(jié)省的數(shù)量為

1024 – 96 = 928!

兩種架構(gòu)都必須選擇不同電阻值的開關(guān)，充分考慮到模擬開關(guān)中的交流誤差源。這些CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）開關(guān)由并行P溝道和N溝道MOSFET構(gòu)成。這種基本雙向開關(guān)可以保持相當(dāng)恒定的電阻(R_ON) 信號可達(dá)完整的供電軌.

帶寬
圖7顯示的是影響CMOS開關(guān)交流性能的寄生器件.

圖7.CMOS開關(guān)模式.

C_DS = 漏極-源級電容; C_D = 漏極-柵級 + 漏極-體電容; C_S = 源級-柵級 + 源級-體電容.

傳遞關(guān)系如以下公式定義，其中包含的假設(shè)為:

• 源阻抗為 0 ?
• 無外部負(fù)載影響
• 無來自C_DS的影響
• R_LSB R_MSB

其中:

R_DAC是設(shè)定電阻

R_POT是端對端電阻

C_DLSB是LSB段的總漏極-柵級 + 漏極-體電容

C_SLSB是LSB段的總源級-柵級 + 源級-體電容

C_DMSB是MSB開關(guān)的漏極-柵級 + 漏極-體電容

C_SMSB是MSB開關(guān)的源級-柵級 + 源級-體電容

m_off是信號MSB路徑的斷開開關(guān)數(shù)量

m_on是信號MSB路徑的接通開關(guān)數(shù)量

傳遞公式受各種因素影響，與代碼存在一定關(guān)聯(lián)，因此我們采用以下額外假設(shè)來簡化公式

C_DMSB + C_SMSB = C_DSMSB

C_DLSB + C_SLSB >> C_DSMSB

(C_DLSB + C_SLSB) = C_W (詳見數(shù)據(jù)手冊)

The C_DS對傳遞公式?jīng)]有影響，但由于其出現(xiàn)的頻率通常比極點(diǎn)高的多RC 低通濾波器是主要的響應(yīng)。理想的近似簡化公式為：

帶寬(BW)定義為:

其中C_L是負(fù)載電容.

The BW與代碼有關(guān)，最差的情況是代碼在半量程時(shí)，AD5292的數(shù)字值為2⁹= 512，AD5291的數(shù)字值為2⁷=128 (見目錄). 圖8顯示的是低通濾波效應(yīng)，它受代碼影響，在不同標(biāo)稱電阻與負(fù)載電容值時(shí)會(huì)發(fā)生變化.

圖8.各種電阻值的最大帶寬與負(fù)載電容

PC板的寄生走線電容也應(yīng)加以考慮，否則最大帶寬會(huì)低于預(yù)期值，走線電容可以采用以下公式簡單計(jì)算：

其中

ε_R是板材的介電常數(shù)

A是走線區(qū)域(cm²)

d是層間距(cm)

如，假設(shè)FR4板材有兩個(gè)信號層和電源/接地層, ε_R = 4, 走線長度 = 3 cm寬度=1.2 mm, 層間距 = 0.3 mm; t則總走線電容約為 4 pF.

失真
THD用于量化器件作為衰減器的非線性。該非線性由內(nèi)部開關(guān)及其隨電壓變化的導(dǎo)通電阻 R_ON而產(chǎn)生。圖9所示為放大的幅度失真示例.

圖9.失真

與單個(gè)內(nèi)部無源電阻相比，開關(guān)的R_ON很小，其在信號范圍內(nèi)的變化則更小。圖10顯示的是典型的導(dǎo)通電阻特性。

圖10.CMOS電阻

電阻曲線取決于電源電壓軌，電源電壓最大時(shí)，內(nèi)部開關(guān)的R_ON 變化最小。電源電壓降低時(shí)，R_ON 變化和非線性都會(huì)隨之增加。圖11對比了低壓digiPOT在兩種供電電平下的 R_ON

圖11.開關(guān)電阻變化與電源電壓的關(guān)系

HD取決于各種因素，因此很難量化，若假設(shè)R_ON,的變化為10%，則以下公式可用于近似計(jì)算:

一般說來，標(biāo)稱digiPOT電阻 (R_POT),越大，則分母越大，THD就越小.

權(quán)衡
R_POT增加后，失真和帶寬都會(huì)隨之降低，所以改進(jìn)一項(xiàng)指標(biāo)的同時(shí)必定會(huì)犧牲另一項(xiàng)。因此，電路設(shè)計(jì)人員必須在兩者之間做出適當(dāng)?shù)臋?quán)衡。這也關(guān)系到器件的設(shè)計(jì)水平，因?yàn)镮C設(shè)計(jì)人員必須平衡設(shè)計(jì)公式中的各個(gè)參數(shù):

其中

C_OX 是氧化電容

μ 是電子(NMOS)或空穴(PMOS)的遷移常數(shù)

W是寬度

L是長度

偏置
從實(shí)用的角度來看，我們必須充分發(fā)揮各項(xiàng)特性。digiPOT通過容性耦合衰減交流信號時(shí)，若信號偏置達(dá)到電源的中值，則失真最小。這意味著開關(guān)工作在電阻特性線性最強(qiáng)的部分.

一種方法是采用雙電源供電，只需將電位計(jì)接地至電源共模端，信號便會(huì)產(chǎn)生正負(fù)向擺動(dòng)。如果需要單電源供電，或者某些digiPOT不支持雙電源時(shí)，可以采用另一種方法，即添加 V_DD/2 的失調(diào)電壓至交流信號。該失調(diào)電壓必須添加到兩個(gè)電阻端，如圖12所示。

圖12.單電源供電交流信號調(diào)理

若需要使用信號放大器，雙電源供電的反相放大器優(yōu)于同相放大器（如圖13所示），原因有以下兩項(xiàng):

• THD性能更佳，因?yàn)榉聪嘁_的虛地可將開關(guān)電阻集中在電壓范圍中間。
• 因?yàn)榉聪嘁_位于虛地，所以幾乎取消了游標(biāo)電容C_DLSB,令帶寬增幅較?。ū仨氉⒁怆娐贩€(wěn)定性）.

圖13.采用反相放大器digiPOT可調(diào)整放大

附錄——關(guān)于AD5291/AD5292

256/1024位數(shù)字電位計(jì)精度為1%，可編程20次
AD5291/AD5292數(shù)字電位計(jì)，如圖14所示，具有256/1024位分辨率。端對端電阻有20 kΩ、50 kΩ和100 kΩ可供選擇，誤差優(yōu)于1%，溫度系數(shù)在可變電阻器模式下時(shí)為35 ppm/°C，分壓器 模式下時(shí)為5 ppm/°C（比率）。這些器件可實(shí)現(xiàn)與機(jī)械電位計(jì)相同的電子調(diào)整功能，但尺寸更小且更可靠。其游標(biāo)位置可通過SPI兼容接口調(diào)整。在熔斷熔絲，將游標(biāo)位置固定（此過程類似于將環(huán)氧樹脂涂在機(jī)械式調(diào)整器上）之前，可進(jìn)行無限次調(diào)整?！叭コh(huán)氧樹脂”過程最多可以重復(fù)20次。AD5291/AD5292采用9 V至33 V單電源或±9 V至±16.5 V雙電源，功耗8 μW。采用14引腳TSSOP封裝，工作溫度范圍為–40°C至+105°C(返回正文)

圖14.AD5291/AD5292功能框圖

作者簡介
	Miguel Usach Merino [miguel.usach@analog.com] 獲瓦倫西亞大學(xué)電子工程學(xué)位。2008年加入ADI公司，任愛爾蘭利默里克精密DAC部的應(yīng)用工程師。