Реостаты
Реостаты – это простые и распространенные элементы схем, обычно состоящие из потенциометра, включенного как регулируемый двухвыводной резистор. Наличие ручных потенциометров с сопротивлениями от единиц ом до мегом упрощает выбор оптимального номинального сопротивления. Но когда в приложении требуется цифровой потенциометр (ЦП), проблема может оказаться сложной.
Диапазон доступных сопротивлений ЦП узок по сравнению с ручными потенциометрами. С ними также связаны проблемы высокого сопротивления движка и допуска сопротивления. Эти ограничения делают ЦП сложным средством для реализации прецизионных реостатов. В последних статьях EDN эти вопросы рассматривались с помощью различных стратегий и топологий:
- ОУ компенсирует сопротивление движка цифрового потенциометра [1].
- Синтез точных сопротивлений цифровых потенциометров, которых нет в каталоге [2].
- Синтез точных биполярных реостатов на основе цифровых потенциометров [3].
- Класс программируемых реостатов [4].
Хотя каждая из этих конструкций вычеркивает одну или несколько жалоб из длинного списка претензий к цифровому реостату, ни одна из них не устраняет их все, а некоторые вносят свои собственные сложности. Примерами могут служить искажения типа «ступенька», несниженная чувствительность к отклонениям номиналов резисторов, нелинейность, ухудшающая разрешение запрограммированного сопротивления, и просто обычная сложность.
Конструкция
Схема на Рисунке 1 также не является идеальным решением. Но она синтезирует точное запрограммированное сопротивление, равное сопротивлению опорного резистора R1, линейно умноженному на заданное цифровым кодом отношение RBW/RAB (отношение сопротивления между клеммой B и движком ЦП U1 к общему сопротивлению элемента).
 |
|
| Рисунок 1. | Прецизионный цифровой реостат, который синтезирует точное запрограммированное сопротивление, равное сопротивлению эталонного резистора R1, линейно умноженному на заданное цифровым кодом отношение RBW/RAB цифрового потенциометра U1. |
Вот как это работает.
RAB = RAW + RBW. Типичное значение RAB – от 5 кОм до 10 кОм.
Здесь
R – запрограммированное искусственное сопротивление,
R1 – эталонный резистор,
RAW – сопротивление между выводом A и выводом движка ЦП,
RBW – сопротивление между выводом B и выводом движка ЦП,
RAB – общее сопротивление элемента.
U1 работает в режиме «делителя напряжения» (потенциометра), устанавливающего коэффициент усиления инвертирующего усилителя A2. Режим потенциометра делает усиление нечувствительным как к сопротивлению движка микросхемы U1 (RW), так и к RAB. Эти сопротивления на самом деле не имеют большого значения – см. Рисунок 4-4 в техническом описании Microchip MCP4131.
Обращаясь к расчетной формуле на Рисунке 1, мы получаем:
где GA2 – коэффициент усиления усилителя A2. Далее, падение напряжения на резисторе R1 равно
Ток, проходящий через резистор R1
Тогда, поскольку
получаем:
Контакт VA слегка нагружен входным смещением усилителя A1 – порядка 10 пикоампер (пА), – поэтому сопротивление R1 может варьироваться от сотен Ом до нескольких МОм, в зависимости от требований конкретного приложения. Оно должно быть точным, определенно 1% или лучше; затем в дело вступают описанные выше программирование и математика.
На Рисунке 2 показана линейная зависимость R от RBW.
 |
|
| Рисунок 2. | Линейная зависимость R от RBW показывает, что схема синтезирует точное запрограммированное сопротивление, равное сопротивлению эталонного резистора R1, линейно умноженному на заданное цифровым кодом отношение RBW/RAB цифрового потенциометра U1. |
Корректирующий конденсатор C1, вероятно, не нужен при выборе показанных на Рисунке 1 компонентов A2 и U1. Но если выбран более быстрый усилитель или более высокоомный ЦП, то, вероятно, было бы целесообразно использовать от 10 до 20 пФ.
Теперь, я думаю, было бы справедливо сказать, что эта конструкция выглядит конкурентоспособной по сравнению с аналогами. Но ранее я назвал ее несовершенной. Кроме того, что эта топология однополюсная (как и две другие в списке), в чем еще она не дотягивает до полного решения проблемы идеального цифрового реостата?
Недостатки
Вот в чем: как показано на Рисунке 3, по мере уменьшения запрограммированного значения R коэффициент усиления усилителя A2 (GA2) должен увеличиваться. Просматривая график справа налево, мы видим, что усиление умеренно возрастает по мере уменьшения R на 75% от R1 до R1/4, где RBW/RAB = 64/256, но затем оно взлетает. Это дополнительно подчеркивает ошибки, такие как входное смещение, конечное значение GBW и другие неидеальности операционного усилителя, создавая при этом предпосылки раннего насыщения усилителя A2 при относительно низких уровнях сигнала.
 |
|
| Рисунок 3. | Графики зависимости GA2 (красный) и R/R1 (черный) от RBW/RAB. При уменьшении запрограммированного значения R GA2 должен увеличиваться. |
Серьезность влияния этих эффектов на полезность конструкции, будь они легкими, серьезными или фатальными, будет зависеть от того, насколько низко нужно опустить отношение R/R1 и других особенностей приложения. Так что, конечно, эта конструкция не идеальна, но, возможно, где-то она все же полезна.
Двухполюсная конструкция
И теперь о проблеме одного полюса. Если вашему приложению абсолютно необходимо двухполюсное программируемое сопротивление, вы можете рассмотреть схему на Рисунке 4. В зависимости от внешней схемы, она может не самовозбуждаться.
 |
|
| Рисунок 4. | Продублируйте и перекрестно соедините схему на Рисунке 1, чтобы получить двухполюсное программируемое сопротивление. |
Ссылки
- Stephen Woodward. ОУ компенсирует сопротивление движка цифрового потенциометра
- Stephen Woodward. Синтез точных сопротивлений цифровых потенциометров, которых нет в каталоге
- Stephen Woodward. Синтез точных биполярных реостатов на основе цифровых потенциометров
- Christopher Paul. Класс программируемых реостатов
Купить MCP4131 на РадиоЛоцман.Цены
