深入了解數(shù)字電位計(jì)規(guī)范和架構(gòu)可增強(qiáng)交流性能

作者：Miguel Usach Merino

數(shù)字電位計(jì) （digiPOT） 提供了一種方便的方式來(lái)調(diào)整傳感器、電源或其他需要某種類型校準(zhǔn)的設(shè)備的交流或直流電壓或電流輸出，時(shí)序、頻率、對(duì)比度、亮度、增益和失調(diào)調(diào)整只是其中的一小部分。數(shù)字設(shè)置幾乎避免了與機(jī)械電位計(jì)相關(guān)的所有問(wèn)題，例如物理尺寸、機(jī)械磨損、游標(biāo)污染、電阻漂移以及對(duì)振動(dòng)、溫度和濕度的敏感性，并消除了由于需要螺絲刀訪問(wèn)而導(dǎo)致的布局不靈活性。

digiPOT 可用于兩種不同的模式：電位計(jì)或變阻器。在電位計(jì)模式下，如圖1所示，有三個(gè)端子可用;信號(hào)連接在端子 A 和 B 上，而端子 W（如游標(biāo)）提供衰減的輸出電壓。當(dāng)數(shù)字比率控制輸入全為零時(shí)，游標(biāo)通常連接到端子B。

圖1.電位計(jì)模式。

當(dāng)游標(biāo)硬連線到任一端時(shí)，電位計(jì)變成一個(gè)簡(jiǎn)單的可變電阻或變阻器，如圖2所示。變阻器模式允許更小的外形尺寸，因?yàn)樾枰耐獠恳_更少。一些數(shù)字POT只能作為變阻器使用。

圖2.變阻器模式。

對(duì) digiPOT 電阻端子上出現(xiàn)的電流或電壓的極性沒有限制，但交流信號(hào)的幅度不能超過(guò)電源軌 （VDD和 V黨衛(wèi)軍）—當(dāng)器件在變阻器模式下工作時(shí)，應(yīng)限制最大電流或電流密度，尤其是在較低電阻設(shè)置下。

典型應(yīng)用

信號(hào)衰減是電位計(jì)模式固有的，因?yàn)槠骷旧鲜且粋€(gè)分壓器。輸出信號(hào)定義為：V外= V在×(R代數(shù)轉(zhuǎn)換器/R罐），其中R罐是 digiPOT 的標(biāo)稱端到端電阻，并且R代數(shù)轉(zhuǎn)換器是W和輸入信號(hào)的參考引腳（通常是端子B）之間的數(shù)字選擇電阻，如圖3所示。

圖3.信號(hào)衰減器。

信號(hào)放大需要一個(gè)有源元件，通常是反相或同相放大器。可以使用電位計(jì)或變阻器模式，并具有適當(dāng)?shù)脑鲆婀健?/p>

圖4所示為一個(gè)同相放大器，該器件用作電位計(jì)，通過(guò)反饋調(diào)節(jié)增益。由于輸出的分?jǐn)?shù)反饋，R嗖嗖/（R工 務(wù) 局+ R嗖嗖)，必須等于輸入，理想化增益為

圖4.電位計(jì)模式下的同相放大器。

該電路的增益與R嗖嗖，迅速增加為R嗖嗖接近零，定義雙曲傳遞函數(shù)。要限制最大增益，請(qǐng)插入一個(gè)串聯(lián)電阻R嗖嗖（以及增益方程的分母）。

如果需要線性增益關(guān)系，變阻器模式可與固定外部電阻結(jié)合使用，如圖5所示;增益現(xiàn)在定義為：

圖5.變阻器模式下的同相放大器。

為獲得最佳性能，請(qǐng)將較低電容端子（較新器件中的W引腳）連接到運(yùn)算放大器輸入。

數(shù)字POT在信號(hào)放大方面的優(yōu)勢(shì)

圖4和圖5所示電路具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，可以處理單極性和雙極性信號(hào)。digiPOT可用于游標(biāo)操作，通過(guò)固定外部電阻在更小的范圍內(nèi)提供更高的分辨率，并可用于帶或不帶信號(hào)反轉(zhuǎn)的運(yùn)算放大器電路。此外，它們還具有較低的溫度系數(shù)——電位計(jì)模式下通常為 5 ppm/°C，變阻器模式下通常為 35 ppm/°C。

用于信號(hào)放大的 digiPOT 的局限性

處理交流信號(hào)時(shí)，digiPOT 性能受到帶寬和失真的限制。帶寬是可以通過(guò) digiPOT 的最大頻率，由于寄生分量，衰減小于 3 dB。總諧波失真（THD）——這里定義為接下來(lái)四個(gè)諧波的均方根和與輸出基波值之比——是信號(hào)通過(guò)器件時(shí)衰減的量度。這些規(guī)范隱含的性能限制是由內(nèi)部 digiPOT 架構(gòu)引起的。分析將有助于充分了解這些規(guī)格并減少其負(fù)面影響。

內(nèi)部架構(gòu)已從經(jīng)典串行電阻陣列（如圖6a所示）演變?yōu)榉侄问郊軜?gòu)（如圖6b所示）。主要改進(jìn)是減少了所需的內(nèi)部開關(guān)數(shù)量。在第一種情況下，串行拓?fù)洌?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/1392/" target="_blank">交換機(jī)的數(shù)量為N = 2n，其中 n 是以位為單位的分辨率。n = 10 時(shí)，需要 1024 個(gè)開關(guān)。

圖6.a） 傳統(tǒng)架構(gòu)。b） 分段架構(gòu)。

專有（專利）分段架構(gòu)使用級(jí)聯(lián)連接，最大限度地減少交換機(jī)總數(shù)。圖 6b 的示例顯示了一個(gè)兩段架構(gòu)，由兩種類型的模塊組成：左側(cè)為 MSB，右側(cè)為 LSB。

左邊的上塊和下塊是粗位（MSB段）的開關(guān)串。右邊的塊是一串用于精細(xì)位（LSB段）的開關(guān)。MSB 開關(guān)建立與 R 的粗略近似值一個(gè)/RB率。由于LSB串的總電阻等于MSB串中的單個(gè)電阻元件，因此LSB開關(guān)在主串的任何點(diǎn)建立比率的精細(xì)部分。A 和 B MSB 交換機(jī)采用互補(bǔ)編碼。

分段架構(gòu)中的交換機(jī)數(shù)量為：

N = 2m + 1+ 2n – m,

其中 n 是 MSB 字中的總位數(shù)，m 是分辨率的位數(shù)。例如，如果 n = 10 且 m = 5，則需要 96 個(gè)開關(guān)。

與傳統(tǒng)字符串相比，分段方案需要的開關(guān)更少：

差值 = 2n– (2m+ 1 + 2n – m)

在此示例中，節(jié)省的費(fèi)用將是

1024 – 96 = 928！

在這兩種架構(gòu)中，開關(guān)負(fù)責(zé)在不同的電阻值之間進(jìn)行選擇，因此了解模擬開關(guān)中的交流誤差源非常重要。這些 CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）開關(guān)由并聯(lián)的 P 溝道和 N 溝道 MOSFET 組成。該基本雙邊開關(guān)保持相當(dāng)恒定的電阻（R上） 表示最高至全電源軌的信號(hào)。

帶寬

圖7顯示了影響CMOS開關(guān)交流性能的寄生元件。

圖7.CMOS 交換機(jī)型號(hào)。

CDS= 漏源電容;CD= 漏極-柵極 + 漏極-大容量電容;CS= 源極門 + 源極大容量電容。

傳遞關(guān)系在下面的等式中定義，其中應(yīng)用了這些假設(shè)：

源阻抗為 0 Ω

無(wú)外部負(fù)載貢獻(xiàn)

沒有來(lái)自的貢獻(xiàn)CDS

R低音水平 << RMSB

其中：

傳遞方程具有許多因子，并且在某種程度上依賴于代碼，因此使用以下進(jìn)一步的假設(shè)來(lái)簡(jiǎn)化方程

這CDS貢獻(xiàn)在傳遞方程中增加了一個(gè)零，但由于這通常發(fā)生在比極點(diǎn)高得多的頻率下，因此RC低通濾波器是主要響應(yīng)。簡(jiǎn)化方程的一個(gè)很好的近似值是：

帶寬 （BW） 定義為：

哪里CL是負(fù)載電容。

BW 依賴于代碼，最壞的情況是當(dāng)代碼處于半刻度時(shí)，數(shù)字值為 29AD5292和2的= 5127AD5291為128（見附錄）。圖8顯示了低通濾波效應(yīng)與各種標(biāo)稱電阻和負(fù)載電容值的代碼函數(shù)關(guān)系。

圖8.各種電阻值的最大帶寬與負(fù)載電容的關(guān)系。

應(yīng)考慮PCB板的寄生走線電容，否則最大帶寬將低于預(yù)期;軌道電容可以直接計(jì)算為

例如，假設(shè)FR4板材料具有兩個(gè)信號(hào)層和電源/接地層，則εR= 4，軌道長(zhǎng)度 = 3 厘米，寬度 = 1.2 毫米，層間距離 = 0.3 毫米;總軌道電容約為4 pF。

失真

THD用于量化器件作為衰減器的非線性度。這種非線性是由于內(nèi)部開關(guān)及其R上隨電壓變化。幅度失真的夸大示例如圖9所示。

圖9.失真。

這R上與單個(gè)內(nèi)部無(wú)源電阻的電阻相比，開關(guān)的電阻非常小，其在整個(gè)信號(hào)范圍內(nèi)的變化甚至更小。圖10顯示了一個(gè)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;內(nèi)部開關(guān)具有最低R上在最大電源電壓下的變化。如果電源電壓降低，R上變化，因此非線性增加。圖 11 比較了 RON低壓 digiPOT 的兩個(gè)電源電平變化。

圖 11.開關(guān)電阻變化與電源電壓的關(guān)系

THD取決于多個(gè)因素，因此難以量化，但假設(shè)R的變化為10%上，以下等式可用作粗略近似：

作為一般規(guī)則，標(biāo)稱數(shù)字POT電阻越高（R罐），THD 越好，因?yàn)榉帜冈酱蟆?/p>

權(quán)衡取舍

失真和帶寬都隨著增加而降低R罐，因此不可能在不懲罰另一個(gè)規(guī)范的情況下改進(jìn)一個(gè)規(guī)范。因此，電路設(shè)計(jì)人員必須選擇合適的平衡點(diǎn)。在器件設(shè)計(jì)層面也是如此，因?yàn)?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/1055/" target="_blank">IC設(shè)計(jì)人員必須平衡設(shè)計(jì)公式中的參數(shù)：

偏 置

從實(shí)用的角度來(lái)看，必須充分利用這些規(guī)格。當(dāng)使用digiPOT通過(guò)容性耦合衰減交流信號(hào)時(shí)，如果信號(hào)偏置到電源的中間值，則可實(shí)現(xiàn)最低的失真。這意味著開關(guān)正在處理電阻特性的最線性部分。

一種方法是使用雙電源，簡(jiǎn)單地將電位計(jì)接地至電源公共電源。然后，信號(hào)可以具有正負(fù)擺動(dòng)。另一種方法是，如果需要單電源，或者特定的digiPOT不支持雙電源，則添加VDD/2交流信號(hào)。必須在兩個(gè)電阻端子上增加該失調(diào)電壓，如圖12所示。

圖 12.單電源交流信號(hào)調(diào)理。

如果需要信號(hào)放大器，則采用雙電源的反相放大器（如圖13所示）優(yōu)于同相放大器，原因有二：

提供更好的THD性能，因?yàn)榉聪嘁_上的虛擬地會(huì)將開關(guān)電阻集中在電壓范圍的中間。

由于反相引腳處于虛擬地，游標(biāo)電容CDLSB，幾乎被取消以獲得帶寬的小幅增加（但必須注意電路穩(wěn)定性）。

圖 13.使用帶有反相放大器的 digiPOT 進(jìn)行可調(diào)放大。

審核編輯：郭婷