關(guān)于使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳的重要設(shè)計考慮因素

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)字電位計及其他元件，其中重點(diǎn)說明了對于所有用例都極為重要的設(shè)計考慮因素和規(guī)格(用于確保設(shè)計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)字電位計和其他元件(例如運(yùn)算放大器)來創(chuàng)建靈活的多用途系統(tǒng)時應(yīng)考慮到的重要設(shè)計考慮因素和規(guī)格。另外，本文還將探究數(shù)字電位計與傳統(tǒng)電位計相比的設(shè)計優(yōu)缺點(diǎn)。在本文中，還使用了許多實(shí)例來證明：數(shù)字電位計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)輸入信號的幅度而交替。

數(shù)字電位計是數(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)字電位計在功能上與機(jī)械電位計類似，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。電位計的作用是通過改變設(shè)備電阻來調(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，此調(diào)整可用于設(shè)置不同的電平或增益。設(shè)計人員使用數(shù)字電位計這樣的可變元件可設(shè)計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)輸入信號的幅度而交替。這樣，設(shè)計人員就可以減少元件數(shù)量(如多個運(yùn)算放大器)，最大限度增加系統(tǒng)可支持的輸入信號類型，同時減小PCB尺寸。數(shù)字電位計具有小尺寸和多功能特性。

數(shù)字電位計與機(jī)械電位計

數(shù)字電位計和機(jī)械電位計具有一些共同點(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，可滿足對用戶可調(diào)電阻的需求。機(jī)械電位計相對于數(shù)字電位計的一些優(yōu)勢包括：可耐受更高電壓，載流能力更強(qiáng)，功耗也較大。然而，受設(shè)計制約，隨著時間的推移，機(jī)械電位計的性能可能改變，出現(xiàn)可靠性問題。它們對沖擊和振動更加敏感，機(jī)械游標(biāo)觸點(diǎn)電阻可能因氧化、老化和磨損而改變。這會縮短機(jī)械電位計的可用壽命。

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

使用數(shù)字電位計時需考慮的因素

如所有元件一樣，在針對具體應(yīng)用選擇正確的元件時，有些因素是必須考慮的。各項規(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?nèi)绾斡绊懱囟☉?yīng)用中數(shù)字電位計的選擇。因此，我們現(xiàn)在將更詳細(xì)地查看數(shù)字電位計的兩個重要用例。

數(shù)字電位計的常見應(yīng)用如下：

? 直流和交流信號衰減器
? 改變運(yùn)算放大器的增益

如何將數(shù)字電位計用作衰減器

A數(shù)字電位計可用于仿真簡單的低分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。圖2顯示了此設(shè)置以及部分常見術(shù)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(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)字電位計時需要注意三個關(guān)鍵參數(shù)：電源電壓范圍、數(shù)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(guī)格涉及數(shù)字電位計可以通過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)來衡量。INL指真實(shí)數(shù)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(xù)代碼的輸出與理想傳遞函數(shù)之差。

對于交流應(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)和帶寬這兩個重要因素也應(yīng)予以考慮。

創(chuàng)建可變增益運(yùn)算放大器時如何使用數(shù)字電位計

數(shù)字電位計在改變運(yùn)算放大器的增益時非常有用。運(yùn)用數(shù)字電位計，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比度/亮度。然而，在配置過程中必須考慮數(shù)字電位計的多個特性。

如果在電位計模式下使用數(shù)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(shù)字電位計的傳遞函數(shù)。隨著RAW間的電阻增加，RBW間的電阻降低，這會形成對數(shù)傳遞函數(shù)。對數(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)，可通過以下方式線性化數(shù)字電位計：在變阻器模式下使用數(shù)字電位計(圖3(b))；采用游標(biāo)DAC配置(圖3(c))；或通過線性增益設(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，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)計雖然簡單，但要維持系統(tǒng)精度，必須考慮一些設(shè)計因素。

出于不同原因，機(jī)械電位計和數(shù)字電位計都具有一定的電阻容差。對于機(jī)械電位計，容差可能因?qū)崿F(xiàn)可重復(fù)值的難度而變化。對于數(shù)字電位計，雖然制造工藝也會造成容差，但與機(jī)械電位計相比，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)重問題，在無法實(shí)施監(jiān)控以補(bǔ)償誤差的開環(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)字電位計本身極其靈活，因而可以通過簡單的校準(zhǔn)程序來調(diào)整數(shù)字電位計的游標(biāo)位置，并針對任何失調(diào)進(jìn)行調(diào)整。

ADI公司的數(shù)字電位計產(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(如AD5258/AD5259)經(jīng)過誤差容差出廠測試，并將結(jié)果存儲在用戶可訪問的存儲器中，以便在生產(chǎn)時實(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)展示了如何通過專有架構(gòu)對各個RAW和RWB串的值進(jìn)行獨(dú)立編程。運(yùn)用此模式可通過固定一個串(RWB)的輸出和設(shè)置另一個串(RAW)的方式來實(shí)現(xiàn)線性輸出。這種方式類似于將變阻器模式下的數(shù)字電位計與分立式電阻結(jié)合使用，但整體容差誤差低于1%，并且無需任何額外的并聯(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(dāng)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(nèi)部CMOS開關(guān)電阻效應(yīng)增加了誤差，此誤差不能忽略。

存儲器在應(yīng)用中為何如此重要

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

? 非易失性—器件集成了片內(nèi)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(biāo)位置。
? 易失性—器件不具備可編程存儲器，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)詳情請參見每種產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊。

非易失性數(shù)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(tǒng)定制數(shù)字電位計選擇。例如，對于要求恒定調(diào)整的系統(tǒng)，可使用易失性數(shù)字電位計。對于只要求工廠測試校準(zhǔn)的系統(tǒng)，則可使用OTP電位計。EEPROM數(shù)字電位計可用于保持上次游標(biāo)位置，這樣，上電時，數(shù)字電位計可返回上次狀態(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)字電位計可替代機(jī)械電位計來創(chuàng)建易用的可調(diào)節(jié)信號鏈，從而改善規(guī)格、可靠性和PCB面積。設(shè)計時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(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。

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)用與功能評估工作。Joseph目前擔(dān)任digiPOT產(chǎn)品組合營銷工程師。

審核編輯：符乾江