Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2011
Miguel Usach Merino, Analog Devices
Цифровые потенциометры обеспечивают удобный способ регулировки переменного или постоянного напряжения, или выходного тока датчиков, источников питания, а так же других устройств, требующих какой-либо калибровки: по времени, частоте, контрастности, яркости, усилению, смещению, – и это – только некоторые из возможных вариантов применения. Цифровая регулировка позволяет избежать практически всех проблем, присущих механическим потенциометрам, таких, как физический размер, механический износ, повреждение подвижного контакта, дрейф сопротивления, чувствительность к вибрации, температуре и влажности, а так же, снижает требования к топологии печатной платы вследствие отсутствия необходимости в подстройке отверткой.
Цифровой потенциометр может использоваться в двух различных режимах работы: как потенциометр и как реостат. В режиме потенциометра, изображенном на Рисунке 1, используются три вывода. Источник сигнала подключается между выводами A и B, в то время как с вывода W (Wiper – подвижный контакт, ползунок) снимается ослабленное выходное напряжение. Когда цифровой контрольный регистр потенциометра установлен в ноль, ползунок, как правило, соединен с выводом B.
 |
|
| Рисунок 1. | Режим потенциометра. |
В том случае, когда ползунок соединяется с одним из других выводов, потенциометр превращается, по сути, в переменный резистор или реостат, как показано на Рисунке 2. Режим реостата отличается меньшим форм-фактором, ввиду того, что используется меньше внешних выводов. Некоторые цифровые потенциометры выпускаются только как реостаты.
 |
|
| Рисунок 2. | Реостатный режим. |
Относительно полярности тока и напряжения, подаваемого на выводы цифрового потенциометра, не существует никаких ограничений, однако необходимо учитывать, что амплитуда переменного сигнала не должна выходить за пределы шин питания (VDD и VSS), а максимальный ток должен быть ограничен, особенно если устройство работает в режиме реостата при низких значениях сопротивления.
Типичные применения
Ослабление сигнала потенциометром в режиме реостата основано на делении напряжения. Величину выходного сигнала можно определить из следующего соотношения:
VOUT = VIN × (RDAC/RPOT),
где
RPOT – номинальное полное сопротивление цифрового потенциометра,
RDAC – сопротивление между ползунком W и выводом, соединенным с опорным сигналом (обычно B), как показано на Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 3. | Аттенюатор сигналов. |
Усиление сигнала требует применения активных компонентов (обычно инвертирующего или неинвертирующего усилителя). Для установки необходимого коэффициента усиления можно использовать как режим потенциометра, так и реостатный режим. На Рисунке 4 изображен неинвертирующий усилитель, использующий потенциометр в цепи обратной связи для регулировки усиления. Поскольку доля выходного напряжения RAW/(RWB + RAW), образующая напряжение обратной связи, должна быть равна входному, идеальный коэффициент усиления для данной схемы равен:
 |
|
| Рисунок 4. | Неинвертирующий усилитель с потенциометром в цепи обратной связи. |
Усиление схемы, обратно пропорциональное величине RAW, по мере приближения RAW к нулю быстро растет. Передаточная функция схемы описывается гиперболой. Для ограничения максимального усиления последовательно c RAW включают резистор (в знаменателе уравнения, описывающего коэффициент усиления).
Если же требуется, чтобы передаточная функция имела линейный вид, используют реостат с фиксированным внешним резистором, как показано на Рисунке 5. Теперь усиление определяется выражением:
 |
|
| Рисунок 5. | Неинвертирующий усилитель с реостатом в цепи обратной связи. |
Для получения лучших характеристик соедините низкоемкостной вывод (вывод W в новых устройствах) с входом операционного усилителя.
Преимущества применения цифровых потенциометров в схемах усиления сигнала
Схемы, изображенные на Рисунках 4 и 5, имеют высокий входной импеданс и низкий выходной, и могут работать как с однополярными, так и с двуполярными сигналами. Цифровые потенциометры могут использоваться для точной подстройки, обеспечивающей повышенное разрешение в узком диапазоне, установленном фиксированными внешними резисторами, и могут использоваться в схемах на операционных усилителях, с инвертированием сигнала или без. Кроме того, цифровые потенциометры имеют низкий температурный коэффициент сопротивления – типичные значения 5 ppm/°C для режима потенциометра, и 35 ppm/°C для реостатного режима.
Ограничения, связанные с использованием цифровых потенциометров в схемах усиления сигналов
При обработке сигналов переменного тока, характеристики цифровых потенциометров ограничены по диапазону рабочих частот и нелинейным искажениям. Полоса пропускания определяет максимальную частоту сигнала, который, при прохождении через цифровой потенциометр, ослабляется, вследствие наличия паразитных элементов, не более чем на 3 дБ. Коэффициент нелинейных искажений (THD), определенный здесь как отношение среднеквадратичной суммы следующих четырех гармоник к величине основной гармоники на выходе, является мерой искажения сигнала при прохождении его через устройство. Предел работоспособности определяется этими характеристиками, связанными с внутренней архитектурой цифрового потенциометра. Более подробный анализ способен помочь полностью понять смысл этих характеристик и уменьшить, вызываемый ими негативный эффект.
Внутренняя архитектура, представляющая собой классическую схему из последовательно соединенных резисторов, представлена на Рисунке 6а, а на Рисунке 6б показана сегментированная архитектура. Основное преимущество второй схемы заключается в уменьшении числа требуемых внутренних ключей. В первом случае, это последовательная топология, где число ключей равно N = 2n, где n – разрядность в битах. Например, при n = 10 требуется 1024 ключа.
 |
|
| Рисунок 6. | а) Традиционная архитектура. б) Сегментированная архитектура. |
Запатентованная сегментированная архитектура использует каскадное включение ключей, что позволяет минимизировать их общее количество. Пример на Рисунке 6б показывает двухсегментную архитектуру, сформированную двумя типами блоков: MSB слева и LSB справа.
Верхние и нижние блоки слева содержат ключи для переключения старших разрядов, т.е., для грубой установки сопротивления (сегмент MSB). Блок справа состоит из ключей, обслуживающих младшие, самые «точные» биты (сегмент LSB). Ключи сегмента MSB устанавливают грубое приближение отношения RA/RB. Так как общее сопротивление элементов строки LSB равно сопротивлению одного резистивного элемента строки MSB, LSB ключи задают точное значение коэффициента при установленном значении основной строки. MSB ключи A и B закодированы комлементарно.
Число ключей в сегментированной архитектуре равно:
N = 2m + 1 + 2n – m,
где
n – общее число бит,
m – число бит разрешения в слове MSB.
Например, если n = 10, а m = 5, то требуется 96 ключей.
Сегментированная схема требует меньше ключей, чем стандартная:
Разница = 2n – (2m + 1 + 2n – m)
В этом примере экономия составляет:
1024 – 96 = 928!
В обеих архитектурах ключи определяют выбор различных значений сопротивления, делая важным понимание источника ошибок при прохождении переменного сигнала через аналоговый ключ.
КМОП ключи состоят из включенных параллельно MOSFET транзисторов с каналами P- и N- типа. Эта базовая схема двунаправленного ключа сохраняет достаточно постоянное сопротивление (RON) при изменении сигналов, вплоть до уровня напряжения питания.
Окончание читайте здесь
