摘要：數(shù)字電位器(digipot)能夠在各種應(yīng)用中為模擬電路提供便利的電阻、電壓和電流的數(shù)字控制與調(diào)節(jié)。該應(yīng)用筆記介紹了數(shù)字電位器的基本功能，說明了如何改進(jìn)數(shù)字電位器以提高系統(tǒng)的性能，簡化設(shè)計，滿足特殊應(yīng)用的需求。

概述

數(shù)字電位器，或digipot，方便了模擬電路的電阻、電壓以及電流的數(shù)字控制和調(diào)整。數(shù)字電位器通常用于電源校準(zhǔn)、音量控制、亮度控制、增益調(diào)節(jié)以及光模塊的偏置/調(diào)制電流調(diào)節(jié)。數(shù)字電位器除基本功能外，還提供許多其它功能，以增強(qiáng)系統(tǒng)性能，簡化設(shè)計。這些功能包括：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(bǔ)償和寫保護(hù)。這些功能針對不同的應(yīng)用而設(shè)計。

基本的數(shù)字電位器設(shè)計

電位器實際上是一個三端元件(見圖1a)。低端VL在內(nèi)部連接至器件地或作為引腳輸出，便于設(shè)計。三端數(shù)字電位器的結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是一個具有固定端到端電阻的可調(diào)節(jié)分壓電阻。

可變電阻是雙端電位器，抽頭和一個電阻串端點的阻值可變(參考圖1b)。調(diào)節(jié)可變電阻數(shù)字電位器的抽頭位置，可以改變數(shù)字電位器的端到端電阻。


圖1. (a) 三端數(shù)字電位器的結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是一個具有固定端到端電阻的可調(diào)節(jié)分壓電阻。(b) 可變電阻為雙端數(shù)字電位器，抽頭內(nèi)部連接到電位器的一端。

簡單地說，數(shù)字電位器是由數(shù)字輸入控制的模擬輸出，類似于數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)的定義。與DAC不同的是，DAC提供經(jīng)過緩沖的輸出，而絕大多數(shù)數(shù)字電位器在沒有外部緩沖器的情況下不能驅(qū)動低阻負(fù)載。

對于數(shù)字電位器，最大抽頭電流范圍為幾百微安到毫安級。當(dāng)數(shù)字電位器的抽頭連接到低阻負(fù)載時，無論是可變電阻還是真正的數(shù)字電位器，一定要確保在最糟糕的工作條件下抽頭電流處于可接受的IWIPER范圍?？勺冸娮璧淖畈钬?fù)載發(fā)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(yīng)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(shù)字電位器的輸出動態(tài)范圍。

根據(jù)應(yīng)用需求改進(jìn)設(shè)計

數(shù)字電位器的應(yīng)用范圍很廣，一些設(shè)計中可能需要外加器件，以滿足對數(shù)字電位器的“精密調(diào)節(jié)”要求。例如，數(shù)字電位器的端到端電阻范圍為10kΩ和200kΩ，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，該芯片與105Ω的固定電阻并聯(lián)使用，可提供70Ω至102Ω的等效電阻。這種配置下可以獲得0.5Ω的步進(jìn)調(diào)節(jié)，精確調(diào)節(jié)LED亮度。另一個解決方案是多通道數(shù)字電位器，如MAX5477或MAX5487，可以多個通道相互組合得到不同的調(diào)節(jié)電阻步長，達(dá)到數(shù)字電位器的分辨率要求。

有些情況可能需要更特殊的數(shù)字電位器功能，對于需要溫度補(bǔ)償?shù)碾妷夯螂娏髡{(diào)節(jié)，如光模塊的光驅(qū)動器偏置，可以選擇基于查找表的可變電阻。一些數(shù)字電位器集成了EEPROM (用于存儲溫度變化時的校準(zhǔn)數(shù)據(jù))和內(nèi)部溫度傳感器(用于測量環(huán)境溫度)。數(shù)字電位器按照測量溫度在查找表中檢索到對應(yīng)的數(shù)值，調(diào)整可變電阻。基于溫度查找表的數(shù)字電位器通常用來修正電路元件的非線性溫度響應(yīng)，如激光二極管或光電二極管；也可以根據(jù)應(yīng)用需要，有意建立一個非線性電阻的溫度響應(yīng)。

非易失存儲器是數(shù)字電位器中引入的比較常見的低成本功能電路，標(biāo)準(zhǔn)的基于EEPROM的非易失(NV)數(shù)字電位器在上電復(fù)位(POR)期間進(jìn)入一個已知狀態(tài)。EEPROM能夠確保50,000次的重復(fù)寫次數(shù)，相對于機(jī)械電位器，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。一次性編程(OTP)數(shù)字電位器，如MAX5427/MAX5428/MAX5429，采用熔絲設(shè)置，永久保存默認(rèn)的抽頭位置。與基于EEPROM的數(shù)字電位器一樣，POR后OTP數(shù)字電位器初始化到已知狀態(tài)。然而，OTP數(shù)字電位器的POR狀態(tài)一旦編程后不能重寫。所以，OTP很適合工廠編程或產(chǎn)品校準(zhǔn)。熔絲永久性地設(shè)置OTP數(shù)字電位器的POR抽頭位置，無需鎖定抽頭位置。有些OTP數(shù)字電位器的抽頭在熔絲編程后可以調(diào)節(jié)；有些OTP數(shù)字電位器的抽頭位置則被永久性地設(shè)置，得到一個精確的、經(jīng)過校準(zhǔn)的電阻分壓器。一些數(shù)字電位器提供鎖定寄存器，或數(shù)字控制輸入，使數(shù)字電位器接口呈高阻態(tài)，避免不恰當(dāng)?shù)某轭^調(diào)整。EEPROM數(shù)字電位器的寫保護(hù)功能還降低了功耗。

數(shù)字電位器可以在電源或其它需要工廠校準(zhǔn)的系統(tǒng)中完成電壓和電流校準(zhǔn)。與機(jī)械電位器或分離電阻等費(fèi)時且不精確的手動校準(zhǔn)相比，數(shù)字電位器有助于提高制造商的生產(chǎn)能力，改善校準(zhǔn)精度和重復(fù)性指標(biāo)。另外，數(shù)控電位器便于遠(yuǎn)程調(diào)試和重新校準(zhǔn)。需要校準(zhǔn)多個電壓和/或電流時，使用DS3904/DS3905等三路NV數(shù)字電位器非常理想(圖2)。這種情況下，一個小體積數(shù)字電位器可以代替三個機(jī)械電位器。用數(shù)字電位器替代機(jī)械電位器還有助于提高電路布局的靈活性，因為數(shù)字電位器不需要在安裝或維護(hù)期間進(jìn)行機(jī)械調(diào)整。校準(zhǔn)是OTP或EEPROM寫保護(hù)功能的典型應(yīng)用，其中EEPROM寫保護(hù)更有利于設(shè)計。


圖2. DS3904/DS3905三路非易失數(shù)字電位器，可理想用于需要校準(zhǔn)多路電壓/電流的系統(tǒng)。這款小尺寸IC可以替代3個機(jī)械電位器。

雖然不是數(shù)字電位器，DS4303等具有簡單的單線數(shù)字控制接口的采樣/保持電壓基準(zhǔn)也能用于產(chǎn)品校準(zhǔn)(圖3)。緊湊的設(shè)計非常符合校準(zhǔn)的需求，電壓基準(zhǔn)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，否則輸出將不再發(fā)生變化，與輸入電壓無關(guān)。最新產(chǎn)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(fù)。


圖3. 非易失采樣/保持電壓基準(zhǔn)DS4303，雖然不是數(shù)字電位器，但可理想用于產(chǎn)品校準(zhǔn)。校準(zhǔn)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(jìn)后的按鍵接口是傳統(tǒng)接口(如SPI?、I2C、增/減和旋轉(zhuǎn)控制)的補(bǔ)充。帶有緩沖輸出的數(shù)字電位器MAX5486使用了這種接口。這種經(jīng)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(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度。去抖動按鍵接口對于音量控制尤其重要。

針對音頻應(yīng)用設(shè)計的數(shù)字電位器通常提供過零檢測電路，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。該功能使能后，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(diào)節(jié)及其它特定電路。

結(jié)論

簡單的易失性數(shù)字電位器在系統(tǒng)設(shè)計中仍然實用，而針對特殊應(yīng)用設(shè)計的數(shù)字電位器和可變電阻提供了更多的功能。目前，很多設(shè)計者希望替換機(jī)械電位器，提高系統(tǒng)的可靠性和在整個工作溫度范圍內(nèi)的性能，省去系統(tǒng)微處理器，或抑制咔嗒/噼噗聲。對于這些需求，數(shù)字電位器充分展現(xiàn)它的優(yōu)勢，數(shù)字電位器的應(yīng)用越來越普遍。