1、數字電位器· 數字電位器(Digital Potentiometer)亦稱數控可編程電阻器，是一種代替傳統機械電位器(模擬電位器)的新型CMOS數字、模擬混合信號處理的集成電路。數字電位器采用數控方式調節電阻值的，具有使用靈活、調節精度高、無觸點、低噪聲、不易污損、抗振動、抗干擾、體積小、壽命長等顯著優點，可在許多領域取代機械電位器。數字電位器的特點· 數字電位器的特點是:壽命長(因無機械觸點)、工作可靠、性能穩定、耐振動、體積小，能和數字電路或單片機靈活地結合在一起。數字電位器工作原理· 由于數字電位器可代替機械式電位器，所以二者在原理上有相似之處。數字電位器屬

2、于集成化的三端可變電阻器件其等效電路，如圖1所示。當數字電位器用作分壓器時，其高端、低端、滑動端分別用VH、VL、VW表示；而用作可調電阻器時，分別用RH、RL和RW表示。圖2所示為數字電位器的內部簡化電路，將n個阻值相同的電阻串聯，每只電阻的兩端經過一個由MOS管構成的模擬開關相連，作為數字電位器的抽頭。這種模擬開關等效于單刀單擲開關，且在數字信號的控制下每次只能有一個模擬開關閉合，從而將串聯電阻的每一個節點連接到滑動端。數字電位器的數字控制部分包括加減計數器、譯碼電路、保存和恢復控制電路和不揮發存儲器等4個數字電路模塊。利用串入、并出的加減計數器在輸入脈沖和控制信號的控制下可實現加減計數，

3、計數器把累計的數據直接提供給譯碼電路控制開關陣列，同時也將數據傳送給內部存儲器保存。當外部計數脈沖信號停止或片選信號無效后，譯碼電路的輸出端只有一個有效，于是只選擇一個MOS管導通。數字控制部分的存儲器是一種掉電不揮發存儲器，當電路掉電后再次上電時，數字電位器中仍保存著原有的控制數據，其中間抽頭到兩端點之間的電阻值仍是上一次的調整結果。因此，數字電位器和機械式電位器的使用效果基本相同。但是由于開關的工作采用“先連接后斷開”的方式，所以在輸入計數有效期間，數字電位器的電阻值和期望值可能會有一定的差別，只有在調整結束后才能達到期望值。從圖2可以看出，數字電位器和機械式電位器有2個重要區別：1)調整

4、過程中，數字電位器的電阻值不是連續變化的，而是在調整結束后才具有所希望的輸出。這是因為數字電位器采用MOS管作為開關電路，并且采用“先開后關”的控制方法：2)數字電位器無法實現電阻的連續調整，而只能按數字電位器中電阻網絡上的最小電阻值進行調整。數字電位器和數模轉換器的區別· 1 引言利用數字輸入控制微調模擬輸出有兩種選擇：數字電位器和數/模轉換器(DAC)，兩者均采用數字輸入控制模擬輸出。通過數字電位器可以調整模擬電壓;通過DAC既可以調整電流，也可以調整電壓。電位器有三個模擬連接端：高端、抽頭端(或模擬輸出)和低端(見圖1a)。DAC具有隊應的三個端點：高端對應于正基準電壓，抽頭端

5、對應于DAC輸出，低端則可能對應于接地端或負基準電壓端(見圖1b)。DAC和數字電位器存在一些明顯區別，最明顯的差異是DAC通常包括一個輸出放大器/緩沖器，而數字電位器卻沒有。大部分數字電位器需要借助外部緩沖器驅動低阻負載。有些應用中，用戶可以輕易地在DAC和數字電位器之間做出選擇;而有些應用中兩者都能滿足需求。本文對DAC和數字電位器進行了比較，便于用戶做出最恰當的選擇。2 數/模轉換器DAC通常采用電阻串結構或R-2R階梯架構，使用電阻串時，DAC輸入控制著一組開關，這些開關通過匹配的一系列電阻對基準電壓分壓。對于R-2R階梯架構，通過切換每個電阻對正基準電壓進行分壓，從而產生受控電流。該

6、電流送入輸出放大器，電壓輸出DAC將此電流轉換成電壓輸出，電流輸出DAC則將R-2R階梯電流通過放大器緩沖后輸出。如果選擇DAC，還要考慮具體指標，如串口/并口、分辨率、輸入通道數、電流/電壓輸出、成本等。對于注重速度的系統，可以選用并行接口;如果注重成本和尺寸，則可選用3線或2線串口，這種器件引腳數較少，可顯著降低成本，而且，有些3線接口能達到26 MHz的通信速率，2線接口能夠達到3.4 MHz的速率。DAC的另一個指標是分辨率，16位或18位DAC可以提供微伏級控制。例如，一個18位、2.5V基準的DAC，每個LSB對應于9.54V，高分辨率對于工業控制(如機器人、發動機)產品極為重要。

7、目前，數字電位器能夠提供的最高分辨率是10位或1 024抽頭。數/模轉換器的另一個優勢是能夠在單芯片內集成多路轉換器，例如，MAX5733內置32路DAC，每路都能提供16位的分辨率。當前的數字電位器最多只能提供6個通道，如DS3930。DAC能夠源出或吸入電流，為設計者提供更大的靈活性。例如，MAX5550 10位DAC通過內部放大器、P溝道MOSFET和上拉電阻能夠提供高達30mA的輸出驅動。而MAX5547 10位DAC結合放大器、N溝道MOSFET和下拉電阻可以提供3.6 mA的吸電流。除電流輸出外，一些DAC還可以和外部放大器連接提供額外的輸出控制。因為數/模轉換器通常內置放大器，成

8、本要高于數字電位器。但隨著新型DAC尺寸的縮小，成本差異也越來越小。3 數字電位器前面已談到數字電位器可以通過數字輸入控制電阻。圖1a中的3端數字電位器實際上是一個固定端到端電阻的可調電阻分壓器。通過將電位器中心抽頭和高端或低端相連，或使高端或低端浮空，數字電位器能配置成2端可變電阻。和數/模轉換器不同，數字電位器能將H端接最高電壓或最低電壓端。選用數字電位器時，用戶也需考慮具體的指標：線性或對數調節、抽頭數、抽頭級數、非易失存儲器、成本等。控制接口有遞增/遞減、按鈕、SPI和I2C。和數/模轉換器一樣，數字電位器通過串口通信，包括I2C和SPI。此外，數字電位器還提供了2線的遞增、遞減接口控

9、制。通常，DAC和數字電位器的顯著區別在于數/模轉換器內部帶有輸出放大器。通過該輸出放大器可以驅動低阻負載。4 DAC/電位器的選擇很多應用場合，用戶可以輕易地在DAC和電位器之間做出選擇。要求高分辨率的電機控制、傳感器或機器人系統，需要選用DAC。另外，高速應用中，例如基站、儀表等對速度、分辨率要求較高，甚至需要并行接口的DAC。電位器的線性特性便于實現放大器反饋網絡。相對于數/模轉換器，對數電位器更適合音量調節。但在當前的許多應用中，DAC和數字電位器之間選擇的界限比較模糊，圖2中的DAC和數字電位器都可用于控制MAXl553 LED驅動器。MAXll53亮度(BRT)輸入的直流電壓和檢流

10、電阻決定了LED的電流。區分數字電位器的性能· 介紹數字電位器，或digipot，方便了模擬電路的電阻、電壓以及電流的數字控制和調整。數字電位器通常用于電源校準、音量控制、亮度控制、增益調節以及光模塊的偏置/調制電流調節。數字電位器除基本作用外，還提供許多其它作用，以增強系統性能，簡化設計。這些作用包括：不同類型的非易失存儲器、過零檢測、去抖動按鍵接口、溫度補償和寫保護。這些作用針對不同的應用而設計。基本的數字電位器設計電位器實際上是一個三端元件(見圖1a)。低端VL在內部連接至器件地或作為引腳輸出，便于設計。三端數字電位器的結構實質上是一個具有固定端到端電阻的可調節分壓電阻。可變電

11、阻是雙端電位器，抽頭和一個電阻串端點的阻值可變(參考圖1b)。調節可變電阻數字電位器的抽頭位置，可以改變數字電位器的端到端電阻。圖1. (a) 三端數字電位器的結構實質上是一個具有固定端到端電阻的可調節分壓電阻。(b) 可變電阻為雙端數字電位器，抽頭內部連接到電位器的一端。簡單地說，數字電位器是由數字輸入控制的模擬輸出，類似于數/模轉換器(DAC)的定義。和DAC不同的是，DAC提供經過緩沖的輸出，而絕大多數數字電位器在沒有外部緩沖器的情況下不能驅動低阻負載。對于數字電位器，最大抽頭電流范圍為幾百微安到毫安級。當數字電位器的抽頭連接到低阻負載時，無論是可變電阻還是真正的數字電位器，一定要確保在

12、最糟糕的工作條件下抽頭電流處于可接受的IWIPER范圍。可變電阻的最差負載發生在VW接近VH時。在這個點上，電路中除抽頭電阻以外可能沒有其它電阻限制電流。但是，有些應用中可能要求很大的抽頭電流，這種情況下，需要重點考慮電位器抽頭的壓降，這個壓降限制了數字電位器的輸出動態范圍。根據應用需求改進設計數字電位器的應用范圍很廣，一些設計中可能需要外加器件，以滿足對數字電位器的“精密調節”要求。例如，數字電位器的端到端電阻范圍為10k和200k，而控制LED亮度時常常需要小電阻。解決這個問題的方案是DS3906，該芯片和105的固定電阻并聯使用，可提供70至102的等效電阻。這種配置下可以獲得0.5的步

13、進調節，精確調節LED亮度。另一個解決方案是多通道數字電位器，如MAX5477或MAX5487，可以多個通道相互組合得到不同的調節電阻步長，達到數字電位器的分辨率要求。有些情況可能需要更特殊的數字電位器作用，對于需要溫度補償的電壓或電流調節，如光模塊的光驅動器偏置，可以選擇基于查找表的可變電阻。一些數字電位器集成了EEPROM (用于存儲溫度變化時的校準數據)和內部溫度傳感器(用于測量環境溫度)。數字電位器按照測量溫度在查找表中檢索到對應的數值，調整可變電阻。基于溫度查找表的數字電位器通常用來修正電路元件的非線性溫度響應，如激光二極管或光電二極管；也可以根據應用需要，有意建立一個非線性電阻的溫

14、度響應。非易失存儲器是數字電位器中引入的比較常見的低成本作用電路，標準的基于EEPROM的非易失(NV)數字電位器在上電復位(POR)期間進入一個已知狀態。EEPROM能夠確保50,000次的重復寫次數，相對于機械電位器，大大提高了系統的可靠性。一次性編程(OTP)數字電位器，如MAX5427/MAX5428/MAX5429，采用熔絲設置，永久保存默認的抽頭位置。和基于EEPROM的數字電位器一樣，POR后OTP數字電位器初始化到已知狀態。然而，OTP數字電位器的POR狀態一旦編程后不能重寫。所以，OTP很適合工廠編程或產品校準。熔絲永久性地設置OTP數字電位器的POR抽頭位置，無需鎖定抽頭位

15、置。有些OTP數字電位器的抽頭在熔絲編程后可以調節；有些OTP數字電位器的抽頭位置則被永久性地設置，得到一個精確的、經過校準的電阻分壓器。一些數字電位器提供鎖定寄存器，或數字控制輸入，使數字電位器接口呈高阻態，避免不恰當的抽頭調整。EEPROM數字電位器的寫保護作用還降低了功耗。數字電位器可以在電源或其它需要工廠校準的系統中完成電壓和電流校準。和機械電位器或分離電阻等費時且不精確的手動校準相比，數字電位器有助于提高制造商的生產能力，改善校準精度和重復性指標。另外，數控電位器便于遠程調試和重新校準。需要校準多個電壓和/或電流時，使用DS3904/DS3905等三路NV數字電位器非常理想(圖2)。

16、這種情況下，一個小體積數字電位器可以代替三個機械電位器。用數字電位器替代機械電位器還有助于提高電路布局的靈活性，因為數字電位器不需要在安裝或維護期間進行機械調整。校準是OTP或EEPROM寫保護作用的典型應用，其中EEPROM寫保護更有利于設計。圖2. DS3904/DS3905三路非易失數字電位器，可理想用于需要校準多路電壓/電流的系統。這款小尺寸IC可以替代3個機械電位器。雖然不是數字電位器，DS4303等具有簡單的單線數字控制接口的采樣/保持電壓基準也能用于產品校準(圖3)。緊湊的設計非常符合校準的需求，電壓基準輸出在被控制信號鎖定之前取決于輸入電壓，輸出鎖定后，除非重新編程或掉電，否則

17、輸出將不再發生變化，和輸入電壓無關。最新產品把鎖定后的輸出電壓存儲在EEPROM中，電源上電后可重新恢復。圖3. 非易失采樣/保持電壓基準DS4303，雖然不是數字電位器，但可理想用于產品校準。校準時，在被控制信號(ADJ)鎖定之前，DS4303輸出(VOUT)取決于輸入電壓(VIN)。改進后的按鍵接口是傳統接口(如SPI?、I?C、增/減和旋轉控制)的補充。帶有緩沖輸出的數字電位器MAX5486使用了這種接口。這種經過去抖的按鍵接口基于按鍵按下的時間，用變化的速度控制抽頭動作。按鍵接口不需要微控制器，降低了系統設計的復雜度。去抖動按鍵接口對于音量控制尤其重要。針對音頻應用設計的數字電位器通常

18、提供過零檢測電路，過零檢測可以抑制抽頭從一個位置跳變到另一個位置時的可聞噪聲。該作用使能后，過零檢測電路將抽頭動作推遲到VL接近VH時。很多過零檢測電路還提供最大抽頭變化的延遲，方便直流調節及其它特定電路。結論簡單的易失性數字電位器在系統設計中仍然實用，而針對特殊應用設計的數字電位器和可變電阻提供了更多的作用。目前，很多設計者希望替換機械電位器，提高系統的可靠性和在整個工作溫度范圍內的性能，省去系統微處理器，或抑制咔嗒/噼噗聲。對于這些需求，數字電位器充分展現它的優勢，數字電位器的應用越來越普遍。利用數字電位器實現數控低通濾波器· 數字電位器是一種應用普遍的器件，以下介紹如何使用數字

19、電位器構建一個可調帶寬的低通濾波器。2 一種簡單的低通濾波器由DS3903構成的音頻低通濾波器如圖1所示。該電路采用單電源供電，電源電壓范圍為2755 V。包含一級前置衰減，50 V供電時可處理50 VP-P(177VRMS)輸入。為了產生一個雙極點(極點在同一頻點)低通濾波器(每10倍頻程衰減12 dB)，電容C3必須是C2的2倍以上，可變電阻POTO和POTl設置相同值，則截止頻率(fC)計算如下：其中，RPOT是可變電阻POT0和POT2設置對應的電阻值。該電路的輸入部分(Cl、U1一POTl、U2A、Rl和R2)是音量控制電路，還可將音頻信號的直流偏置到VCC2，使信號在未嵌位的條件下

20、通過數字電位器和運放器，在任何供電電源下，電路都能夠處理最大信號擺幅。因此，該設計在27 V至50 V下工作性能良好。輸出直流電平保持在VCC/2，除非在正常輸出以外工作，電平將偏移到不同工作點。對于已限定工作范圍的應用，可以去掉輸入級電路，采用直接耦合的方式連接到濾波器。去掉輸入電路后，輸出信號只是經截止頻率為fC的雙極點濾波器濾波后的信號，而輸入信號的直流分量則直接旁路到輸出端。通過更改電容或選擇不同端到端電阻的數字電位器，該電路的截止頻率可設置為500 kHz。用于計算RPOT的數字電阻模型如圖2所示，對于指定位置，相應的開關將閉合而其他位置的開關則開路。電位器每遞增一個單元位置，電阻將

21、相應增加LSB(對DS3903，10 k128=78)，最高抽頭位置除外，最高抽頭位置為電位器電阻的并聯組合，則引起非線性。通過下式計算RPOT：其中：RLSB是端到端電阻除以抽頭數；RW是滑動端、電阻；n是電位器的編程位置；a是數字電位器的總抽頭數。圖3所示給出了DS3903 10 k電位器的RPOT電阻值和抽頭位置之間的關系圖，假定端到端電阻為10 k，滑動端電阻最小值是500。這兩個參數都會對濾波特性產生顯著影響，但主要影響的是截止頻率的最小值和最大值，實際截止頻率可以在其最小值和最大值之間調節，選擇適當的電容值即可將截止頻率設置在可調范圍內所要求的頻點。3 數字電位器設計考慮濾波電路選

22、擇數字電位器時需要考慮以下幾個因素。使用數字電位器的最大限制是電位器端點的電壓，通常該電壓必須保持在VCC和GND之間，以避免ESD結構內部的二極管將音頻信號嵌位。當VCC在規定的范圍(2755 V)內時，DS3903的ESD結構允許輸入信號處于6 V和GND之間，這一特性對于要求輸入信號大于VCC的應用非常靈活。但是，在圖l所示電路中并未處理60 VP-P信號，因為運放電源低于6 V時將會嵌位信號。如果運算放大器能夠采用更高的電壓供電，即可使用DS3903的大信號處理作用。電位器抽頭的變化形式(線性或對數)決定了電路截止頻率的線性調節或對數調節形式。對于圖l所示音頻范圍的濾波電路，為保證在40800 Hz之間提供盡可能多