使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳的重要設(shè)計(jì)考慮因素

作者：Joseph Creech和 David Rice，ADI公司

摘要

本文詳細(xì)介紹如何結(jié)合使用數(shù)字電位計(jì)及其他元件，其中重點(diǎn)說(shuō)明了對(duì)于所有用例都極為重要的設(shè)計(jì)考慮因素和規(guī)格(用于確保設(shè)計(jì)人員獲得最佳的系統(tǒng)性能)。本文還將論述結(jié)合使用數(shù)字電位計(jì)和其他元件(例如運(yùn)算放大器)來(lái)創(chuàng)建靈活的多用途系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮到的重要設(shè)計(jì)考慮因素和規(guī)格。另外，本文還將探究數(shù)字電位計(jì)與傳統(tǒng)電位計(jì)相比的設(shè)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)。在本文中，還使用了許多實(shí)例來(lái)證明：數(shù)字電位計(jì)所能提供的改善比更傳統(tǒng)的替代解決方案還要顯著。例如，在運(yùn)算放大器中，用數(shù)字電位計(jì)作為反饋電阻，可以使運(yùn)算放大器的增益根據(jù)輸入信號(hào)的幅度而交替。

數(shù)字電位計(jì)是數(shù)控可變電阻器，可取代功能等同的機(jī)械電阻器。盡管數(shù)字電位計(jì)在功能上與機(jī)械電位計(jì)類似，但在技術(shù)規(guī)格、可靠性以及可重復(fù)性等方面極為出眾，適用于許多設(shè)計(jì)。電位計(jì)的作用是通過(guò)改變?cè)O(shè)備電阻來(lái)調(diào)整電壓或電流。然后，當(dāng)與其他元件(如運(yùn)算放大器)配合使用時(shí)，此調(diào)整可用于設(shè)置不同的電平或增益。設(shè)計(jì)人員使用數(shù)字電位計(jì)這樣的可變?cè)稍O(shè)計(jì)出靈活的多功能系統(tǒng)。例如，在運(yùn)算放大器中，用數(shù)字電位計(jì)作為反饋電阻，可以使運(yùn)算放大器的增益根據(jù)輸入信號(hào)的幅度而交替。這樣，設(shè)計(jì)人員就可以減少元件數(shù)量(如多個(gè)運(yùn)算放大器)，最大限度增加系統(tǒng)可支持的輸入信號(hào)類型，同時(shí)減小PCB尺寸。數(shù)字電位計(jì)具有小尺寸和多功能特性。

數(shù)字電位計(jì)與機(jī)械電位計(jì)

數(shù)字電位計(jì)和機(jī)械電位計(jì)具有一些共同點(diǎn)，在許多應(yīng)用中可以互換。兩者都是可調(diào)的，提供各種端到端電阻選項(xiàng)，可滿足對(duì)用戶可調(diào)電阻的需求。機(jī)械電位計(jì)相對(duì)于數(shù)字電位計(jì)的一些優(yōu)勢(shì)包括：可耐受更高電壓，載流能力更強(qiáng)，功耗也較大。然而，受設(shè)計(jì)制約，隨著時(shí)間的推移，機(jī)械電位計(jì)的性能可能改變，出現(xiàn)可靠性問(wèn)題。它們對(duì)沖擊和振動(dòng)更加敏感，機(jī)械游標(biāo)觸點(diǎn)電阻可能因氧化、老化和磨損而改變。這會(huì)縮短機(jī)械電位計(jì)的可用壽命。

數(shù)字電位計(jì)由多個(gè)CMOS傳輸門組成(見(jiàn)圖1)。由于不存在機(jī)械元件，因此，數(shù)字電位計(jì)對(duì)沖擊、磨損、老化和觸點(diǎn)具有較高的耐受能力。

使用數(shù)字電位計(jì)時(shí)需考慮的因素

如所有元件一樣，在針對(duì)具體應(yīng)用選擇正確的元件時(shí)，有些因素是必須考慮的。各項(xiàng)規(guī)格的重要性排序取決于最終用途和其他系統(tǒng)考慮因素。

表1. 選擇數(shù)字電位計(jì)時(shí)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?nèi)绾斡绊懱囟☉?yīng)用中數(shù)字電位計(jì)的選擇。因此，我們現(xiàn)在將更詳細(xì)地查看數(shù)字電位計(jì)的兩個(gè)重要用例。

數(shù)字電位計(jì)的常見(jiàn)應(yīng)用如下：

? 直流和交流信號(hào)衰減器
? 改變運(yùn)算放大器的增益

如何將數(shù)字電位計(jì)用作衰減器

A數(shù)字電位計(jì)可用于仿真簡(jiǎn)單的低分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。圖2顯示了此設(shè)置以及部分常見(jiàn)術(shù)語(yǔ)。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(biāo)和端子之間的電阻。圖2還列出了傳遞函數(shù)。

在此設(shè)置中，選擇數(shù)字電位計(jì)時(shí)需要注意三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：電源電壓范圍、數(shù)字電位計(jì)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?yàn)檫@兩項(xiàng)規(guī)格涉及數(shù)字電位計(jì)可以通過(guò)的輸入范圍以及可以實(shí)現(xiàn)的不同電阻水平數(shù)量。數(shù)字電位計(jì)的線性度表示方式與DAC相似，即使用INL (積分非線性)和DNL (數(shù)字非線性)來(lái)衡量。INL指真實(shí)數(shù)字電位計(jì)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(xù)代碼的輸出與理想傳遞函數(shù)之差。

對(duì)于交流應(yīng)用，與直流電源相同的參數(shù)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(gè)重要因素也應(yīng)予以考慮。

創(chuàng)建可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器時(shí)如何使用數(shù)字電位計(jì)

數(shù)字電位計(jì)在改變運(yùn)算放大器的增益時(shí)非常有用。運(yùn)用數(shù)字電位計(jì)，可以精確設(shè)置和改變Rb/Ra增益比。利用增益控制的應(yīng)用包括音量控制、傳感器校準(zhǔn)和液晶顯示屏中的對(duì)比度/亮度。然而，在配置過(guò)程中必須考慮數(shù)字電位計(jì)的多個(gè)特性。

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

可變電阻器模式下結(jié)合使用分立電阻器

在變阻器模式下使用數(shù)字電位計(jì)，并將其與分立式電阻串聯(lián)，可以線性化輸出(圖3(b))。這種設(shè)計(jì)雖然簡(jiǎn)單，但要維持系統(tǒng)精度，必須考慮一些設(shè)計(jì)因素。

出于不同原因，機(jī)械電位計(jì)和數(shù)字電位計(jì)都具有一定的電阻容差。對(duì)于機(jī)械電位計(jì)，容差可能因?qū)崿F(xiàn)可重復(fù)值的難度而變化。對(duì)于數(shù)字電位計(jì)，雖然制造工藝也會(huì)造成容差，但與機(jī)械電位計(jì)相比，其值的可重復(fù)性高得多。

分立式表貼電阻器的失調(diào)可能低至1%，而有些數(shù)字電位計(jì)的端到端電阻容差則可能高達(dá)20%。這種不匹配可能導(dǎo)致分辨率下降，結(jié)果可能造成嚴(yán)重問(wèn)題，在無(wú)法實(shí)施監(jiān)控以補(bǔ)償誤差的開(kāi)環(huán)應(yīng)用中尤其如此。在可以實(shí)施監(jiān)控的應(yīng)用中，因數(shù)字電位計(jì)本身極其靈活，因而可以通過(guò)簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)程序來(lái)調(diào)整數(shù)字電位計(jì)的游標(biāo)位置，并針對(duì)任何失調(diào)進(jìn)行調(diào)整。

ADI公司的數(shù)字電位計(jì)產(chǎn)品組合的額定容差范圍為1%至20%，以滿足最為嚴(yán)苛的精度和準(zhǔn)確度需求。某些數(shù)字電位計(jì)(如AD5258/AD5259)經(jīng)過(guò)誤差容差出廠測(cè)試，并將結(jié)果存儲(chǔ)在用戶可訪問(wèn)的存儲(chǔ)器中，以便在生產(chǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)電阻匹配。

線性增益設(shè)置模式

最后一種方法是使用ADI digiPOT+產(chǎn)品組合獨(dú)有的線性增益設(shè)置模式。圖3(d)展示了如何通過(guò)專有架構(gòu)對(duì)各個(gè)RAW和RWB串的值進(jìn)行獨(dú)立編程。運(yùn)用此模式可通過(guò)固定一個(gè)串(RWB)的輸出和設(shè)置另一個(gè)串(RAW)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)線性輸出。這種方式類似于將變阻器模式下的數(shù)字電位計(jì)與分立式電阻結(jié)合使用，但整體容差誤差低于1%，并且無(wú)需任何額外的并聯(lián)或串聯(lián)電阻。

這是電阻誤差所致，在兩個(gè)電阻串陣列中都很常見(jiàn)，可以忽略不計(jì)。圖4表明，兩個(gè)電阻之間的失配誤差在較高代碼下很小。當(dāng)代碼小于?量程時(shí)，失配的確會(huì)超過(guò)±1%，但是，造成這種情況的原因是內(nèi)部CMOS開(kāi)關(guān)電阻效應(yīng)增加了誤差，此誤差不能忽略。

存儲(chǔ)器在應(yīng)用中為何如此重要

在利用數(shù)字電位計(jì)設(shè)置電路電平，或者校準(zhǔn)傳感器和增益設(shè)置時(shí)，數(shù)字電位計(jì)的上電狀態(tài)對(duì)于確保準(zhǔn)確而快速的配置非常重要。數(shù)字電位計(jì)提供多種選項(xiàng)，以確保器件能以用戶首選狀態(tài)上電。數(shù)字電位計(jì)有兩類：

? 非易失性—器件集成了片內(nèi)存儲(chǔ)器元件，用于存儲(chǔ)用戶選定的、在上電時(shí)需要配置的游標(biāo)位置。
? 易失性—器件不具備可編程存儲(chǔ)器，而是根據(jù)器件配置在零電平、中間電平或滿量程下為游標(biāo)位置加電。有關(guān)詳情請(qǐng)參見(jiàn)每種產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

非易失性數(shù)字電位計(jì)還有一些其他選項(xiàng)：

? EEPROM
? 一次性可編程(OTP)
? 多次可編程(MTP)

廣泛的存儲(chǔ)器選項(xiàng)允許針對(duì)特定系統(tǒng)定制數(shù)字電位計(jì)選擇。例如，對(duì)于要求恒定調(diào)整的系統(tǒng)，可使用易失性數(shù)字電位計(jì)。對(duì)于只要求工廠測(cè)試校準(zhǔn)的系統(tǒng)，則可使用OTP電位計(jì)。EEPROM數(shù)字電位計(jì)可用于保持上次游標(biāo)位置，這樣，上電時(shí)，數(shù)字電位計(jì)可返回上次狀態(tài)，并且可在上電后繼續(xù)根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

小結(jié)

如上文所示，數(shù)字電位計(jì)可替代機(jī)械電位計(jì)來(lái)創(chuàng)建易用的可調(diào)節(jié)信號(hào)鏈，從而改善規(guī)格、可靠性和PCB面積。設(shè)計(jì)時(shí)考慮上述因素即可實(shí)現(xiàn)這些改善以及減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮因素。

作者簡(jiǎn)介

David Rice是ADI公司愛(ài)爾蘭利默里克的線性精密技術(shù)部門的digiPOTs應(yīng)用工程師。David擁有科克理工學(xué)院嵌入式系統(tǒng)工程碩士學(xué)位，于2012年畢業(yè)后加入ADI公司。聯(lián)系方式：david.rice@analog.com。

Joseph Creech于2005年獲得科克大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，于2013年獲得利默里克大學(xué)工商管理碩士學(xué)位。Joseph于2005年加入ADI公司，從事多條產(chǎn)品線的應(yīng)用與功能評(píng)估工作。Joseph目前擔(dān)任digiPOT產(chǎn)品組合營(yíng)銷工程師。聯(lián)系方式：joseph.creech@analog.com。