用數(shù)字電位器替代機(jī)械電位器

摘要：數(shù)字可調(diào)節(jié)電位器，也稱為數(shù)字電位器或digpot，不僅能夠在眾所周知的音頻應(yīng)用中替代機(jī)械電位器，而且能夠在所有電子設(shè)備中替代傳統(tǒng)的機(jī)械電位器。作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(DAC)的一種簡單、廉價形式，數(shù)字電位器以可變電阻形式提供模擬輸出。類型包括：易失和非易失兩種形式，采用數(shù)字架構(gòu)為系統(tǒng)帶來了許多優(yōu)勢。數(shù)字電位器不容易受灰塵、污物以及潮濕環(huán)境的影響，而機(jī)械電位器在這些環(huán)境下很容易損壞。

引言

數(shù)字電位器的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械電位器，能夠輕松保證50,000次以上的可靠讀寫次數(shù)，而機(jī)械電位器的重復(fù)調(diào)節(jié)次數(shù)只能達(dá)到幾千次甚至幾百次。數(shù)字電位器的分辨率為32級(5位)至256級(8位)或更高。對于LCD對比度調(diào)節(jié)等動態(tài)范圍要求不高的應(yīng)用，選擇較低分辨率的器件即可滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。目前，有些高分辨率的數(shù)字電位器已經(jīng)成為音頻等高保真應(yīng)用的理想選擇，能夠提供高達(dá)90dB的動態(tài)調(diào)節(jié)范圍。

非易失

有些應(yīng)用要求數(shù)字電位器具備非易失存儲功能，兩種類型的器件(易失和非易失存儲器)在市場上都很普及。非易失數(shù)字電位器更接近于機(jī)械電位器，它能夠在不同的外部條件(是否有外部電源供電)下保持阻值。

音頻設(shè)備需要內(nèi)部儲存音量設(shè)置，設(shè)備重新上電時要求電位器保持相同的電阻值，即使在電源完全關(guān)閉的情況下。

MAX5427/MAX5428/MAX5429系列數(shù)字電位器提供獨(dú)特的編程功能。這些器件為具有一次性編程(OTP)存儲器，將電位器抽頭的上電復(fù)位(POR)位置設(shè)置在用戶定義的數(shù)值(抽頭位置保持可調(diào)，但重新上電后始終返回到固定的設(shè)置位置)。此外，OTP還可以禁止接口通信，將抽頭鎖存到所要求的固定位置，避免進(jìn)一步的調(diào)節(jié)。這種情況下，器件成為一個固定比值的電阻分壓器，而非電位器。

音頻設(shè)計(jì)考慮

電位器具有對數(shù)抽頭和線性抽頭，高保真音頻設(shè)備的音量調(diào)節(jié)一般選用對數(shù)電位器，因?yàn)榭紤]到人耳的非線性濾波特性，對數(shù)抽頭可以獲得線性音量調(diào)節(jié)。目前，高集成度數(shù)字電位器可以在單芯片內(nèi)集成六路獨(dú)立的電位器，以支持多聲道音頻系統(tǒng)，例如：立體聲、杜比環(huán)繞立體聲系統(tǒng)。

音頻應(yīng)用中，特別是在數(shù)字電位器調(diào)節(jié)分辨率較低(32級)時，需要特別注意抽頭級間變化過程。如果抽頭不是在0V時發(fā)生變化，音頻系統(tǒng)會產(chǎn)生喀嗒聲和噼噗聲(圖1)。幸運(yùn)的是，新一代數(shù)字電位器具有所謂的過零檢測功能，能夠在抽頭跳變時降低音頻噪聲。內(nèi)部過零和超時檢測電路確保抽頭在檢測到過零(0V)信號或經(jīng)過50ms延時(具體取決于首先發(fā)生的條件)后跳變。


圖1. 在0V電平切換時，音頻喀嗒聲和噼噗聲的影響

除了上述數(shù)字電位器中的模擬電路外，每個數(shù)字電位器還包含一個數(shù)字接口。絕大多數(shù)電位器可通過傳統(tǒng)的I²C或SPI™編程，有些則提供便利的上/下調(diào)節(jié)接口。

性能改善

與機(jī)械電位器相比，數(shù)字電位器還具備另一優(yōu)勢。數(shù)字電位器的調(diào)節(jié)抽頭直接安裝在電路板的信號通路，利用電子調(diào)節(jié)避免了復(fù)雜、昂貴的機(jī)械調(diào)節(jié)裝置。數(shù)字電位器改善了噪聲抑制指標(biāo)，消除了機(jī)械電位器接口電纜的拾取噪聲。

傳統(tǒng)的數(shù)字電位器可直接替代機(jī)械電位器，具有相同的工作方式，無需過多的說明。但是，在一些特殊應(yīng)用中，例如：低成本立體聲音量控制，需要一些附加說明。對于音頻這一特殊應(yīng)用，一般要求工作在較寬的電壓范圍，以支持較寬的音頻信號范圍。一般選擇對數(shù)抽頭，抽頭級數(shù)增加時，衰減分貝數(shù)隨之增大，非常適合人耳的頻響特性。有些器件具有靜音功能，提供更大的衰減(例如：30dB)。

溫度考慮

數(shù)字電位器的典型參數(shù)之一是溫度系數(shù)(TC)，定義在額定的溫度范圍。絕大多數(shù)電位器需要定義兩個不同的TC，一個是絕對端至端TC，該參數(shù)代表了電阻隨溫度變化的絕對值，由下式計(jì)算：

ΔR = R_UNCOMP × TC × ΔT/10⁶

其中：
R_UNCOMP是未經(jīng)補(bǔ)償?shù)碾娮柚担?br>TC為溫度系數(shù)，
ΔT為溫度變化量。

例如，一個阻值為20kΩ的數(shù)字電位器，如果絕對TC為35ppm，則在50°C溫度變化范圍內(nèi)將會產(chǎn)生35Ω (0.2%)的阻值變化。另外，20kΩ端到端電阻的初始值可能變化比較明顯，變化范圍可能在15kΩ至25kΩ。這種情況下，對于一個32抽頭的電位器，每級對應(yīng)的電阻值(增量)可能在470Ω至780Ω。這一變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于絕對TC的偏差。

另一個典型TC時電阻比值TC，電位器通常用作分壓器，特別是在比例設(shè)計(jì)中，對于絕對電阻值變化(絕對溫度系數(shù))的要求與比值變化相比并不嚴(yán)格。例如，5ppm的比例TC能夠在整個溫度范圍內(nèi)獲得非常穩(wěn)定的增益。

高分辨率應(yīng)用

數(shù)字電位器用于可編程增益放大器(PGA)和儀表放大器(IA)時，對精度的要求通常高于標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)電路(圖2)。這些應(yīng)用中一般要求在-40°C至+85°C范圍內(nèi)，分壓比誤差(精度)在0.025%以內(nèi)。


圖2. 利用運(yùn)算放大器和數(shù)字電位器(下方IC)構(gòu)成精密的可編程增益放大器

結(jié)論

數(shù)字電位器與機(jī)械電位器相比具有眾多優(yōu)勢，除了提高可靠性外，它們還占用更少的空間；由于降低了寄生效應(yīng)，數(shù)字電位器能夠提供更好的電特性，并且不易受噪聲的影響。 數(shù)字電位器能夠在各種應(yīng)用中替代機(jī)械電位器，使設(shè)計(jì)人員和最終用戶受益。