數字電位器可廣泛用于控制或調整電路參數。由于數字電位器本身帶寬的限制.只能用于直流或低頻應用。其典型一3 dB帶寬在100 kHz至幾MHz內,具體數值與型號有關(guān)。然而,通過(guò)采用下面介紹的簡(jiǎn)單方法,可以將電位器的信號帶寬從10倍提高到100倍,可以獲得4 MHz的O.1 dB帶寬以及25 MHz以上的一3 dB帶寬。這樣可使數字電位器用于視頻或其他高速應用領(lǐng)域。 2 有限的調整范圍 在許多應用中,數字電位器用于信號微調,而無(wú)需從0%到100%的滿(mǎn)量程調整,例如:一次性工廠(chǎng)校準等。在這些應用中,數字電位器一般提供10%以下的調整范圍。正是借助這一有限的調整范圍來(lái)提高數字電位器的帶寬。 3 典型應用電路 圖1為電位器典型的電路配置,圖中,數字電位器用于改變信號的衰減量。R2為數字電位器,Cwiper為寄生電容,該電容是所有數字電位器固有的,它限制電路帶寬。當電位器在0至滿(mǎn)量程之間擺動(dòng)時(shí),R1和R3用于限制數字電位器引起的信號衰減。 需要說(shuō)明的是:由于該電路采用運算放大器,可用于信號放大和衰減。因此,以下介紹的提高帶寬的方法與所選電路拓撲無(wú)關(guān)。為計算電路的傳輸函數(VOUT/VIN),可使用不同模式的電位器,見(jiàn)圖2。圖中,R2被分為R2top和R2bottom,其中,R2top是電位器觸點(diǎn)以上的電阻,R2bottom是電位器觸點(diǎn)以下的電阻。假設使用的電位器具有10 kΩ的端到端電阻(忽略觸點(diǎn)電阻的影響),R2top和R2bottom是相對于數字編碼的理想傳輸函數,如圖3所示。傳輸函數的兩個(gè)端點(diǎn)和中點(diǎn):當電位器編碼為0時(shí),R2top=10 kΩ,R2bpttom=0kΩ;而當電位器編碼處于中間位置時(shí),則R2top=R2bottom=5 kΩ;當電位器編碼處于滿(mǎn)標位置時(shí),R2top=0 kΩ,R2bottom=10 kΩ。 由圖2得出VOUT/VIN的直流傳輸函數:VOUT/VIN=(R3+R2bottom)/(R1+R2+R3) (1) 式中:R2=R2top+R2bottom 假設R2=10 kΩ(常用數字電位器電阻值),如果希望把輸入信號衰減到任意電平,例如,輸入值的70%±5%(輸入值的65%~75%)。然后,運用相關(guān)運算,調整范圍為65%"75%,標稱(chēng)值f中間位置)為70%:R1=24.9 kΩ且R3=64.9 kΩ。 4 典型應用電路的帶寬 利用式(1)中的R1和R3電阻值,假設Cwiper=10pF,獲得表l所列的帶寬。實(shí)際觸點(diǎn)電容在3~80 pF內,并與觸點(diǎn)電阻、步長(cháng)數、采用的IC工藝及電位器體系結構等有關(guān)。3~5 V供電、32至256步長(cháng)的10 kΩ電位器的典型電容值為3~10 DF。 *注意,帶寬與觸點(diǎn)電容成反比。采用3 pF Cwiper,帶寬頻率將提高3.3倍對于視頻等應用,這些帶寬還是過(guò)低。 需要注意的是,這里分析基于的假設是:觸點(diǎn)電容與電位器電阻并聯(lián),由此限制電位器的帶寬。該方法是最直接的電位器使用方式,如果采用更復雜的電位器配置,可能會(huì )進(jìn)一步限制帶寬。因此,討論提高帶寬非常有必要,即使實(shí)際帶寬未達到預期目的。 5 提高電路帶寬 提高電路帶寬最明顯方法是選擇較低阻值的數字電位器,例如,1 kΩ電位器,按比例調整R1和R2(1 kΩ電位器與10kΩ電位器相比,阻值減小10倍)。然而,低阻值數字電位器(1 kΩ)一般占用較大的裸片面積,意味著(zhù)較高成本和較大封裝尺寸,出于這一原因,1 kΩ電位器的實(shí)際應用非常有限。如果某一電位器能夠滿(mǎn)足設計要求,10kΩ電位器的帶寬會(huì )隨著(zhù)電阻的減小而線(xiàn)性提高,例如,提高10倍(假設雜散觸點(diǎn)電容無(wú)變化);或使用1 kQ電位器,設置Rl=2.49 kΩ,R3=6.49kΩ,觸點(diǎn)電容為10 pF,電位器設在中間位置,可獲得1.15MHz的—0.1 dB帶寬,及7.6MHz的-3dB帶寬。這比表l中的帶寬提高10倍。 6 使用10 kΩ電位器,改變電路拓撲 與1kΩ電位器相比,選擇5kΩ和10 kΩ電位器可能是更好的解決方案,可以獲得更小封裝的電位器,從中選擇易失或非易失存儲器,也有更多的數字接口(up/down、I2C、SPITM)以及調整步長(cháng)(32、64、128、256等)可供選擇。出于這一原因,設計實(shí)例選用10 kΩ端到端電阻的電位器。假設成本、體積、接口以及電位器調整步長(cháng)等因素的限制,需使用10 kΩ端到端電阻電位器,這種情況下提高典型應用電路的帶寬的方法是去掉電阻R1和R3,使用步長(cháng)數多于該電路要求的電位器。例如,32步長(cháng)電位器獲得10%的調整范圍,按照上述介紹,可以選擇替換這一步長(cháng)的電位器,而使用256步長(cháng)電位器,去掉R4和R6,限制電位器的調整范圍在達到要求衰減的編碼65%~75%內。所使用的編碼是從0.65×256 (使用166)到編碼0.75×256(192)。該實(shí)例使用一個(gè)256步長(cháng)的電位器;由于有限的編碼將可用步長(cháng)數限制在26,即10%的調整范圍,僅用了256步長(cháng)的10%。 與32步長(cháng)電位器相比,該方法的缺點(diǎn)是256步長(cháng)電位器成本較高,故可選用封裝尺寸較大的電位器。假設Cwiper為30 pF,VOUT/VIN=0.70,處于調整范圍的中點(diǎn),圖4電路中有384 kHz的-0.1 dB帶寬,879 kHz的-0.5 dB帶寬,2.52 MHz的一3dB帶寬。與表1相比,其帶寬提高3倍。另一種成本更低、性能更好的方案是在圖圖5最初電路使用兩只并聯(lián)電阻(R4和l電路中加入分立電 R5),與圖l和圖2相比帶寬增大100倍阻,如圖5所示。 7 使用并聯(lián)電阻降低電路阻抗 電路中增加并聯(lián)電阻(注意,使用圖2中引入的數字電位器模型)。降低電路阻抗(提高帶寬),通過(guò)設置電路增益,限制由數字電位器在0編碼到滿(mǎn)標編碼之間擺動(dòng)時(shí)導致的衰減,可以達到雙重目的。 設置電位器電路增益,使用并聯(lián)器件限制其調整范圍(R4和R5,而不是簡(jiǎn)單串聯(lián)R1、R2和R3),其電路帶寬優(yōu)于圖1帶寬。還需要注意,電阻R1、R2和R3還會(huì )影響電路增益,但由于其串聯(lián)電阻要比R4和R5大得多,這種影響非常小?梢酝ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單示例來(lái)說(shuō)明R4和R5對圖5電路的影響。在圖6(a)中,電路上部電阻采用了圖中方程給出的電阻組合值。注意,由于R4是與R1和R2top并聯(lián),它降低了電路阻抗。 在圖6(b)中,電路下部電阻采用了圖中方程給出的電阻組合值。注意,由于R5是與R3和R2bottom并聯(lián),降低了電路阻抗。正是較低的電路阻抗使得帶寬大大提高,達到設計目標的要求。圖7結合了圖6中的簡(jiǎn)化示例,給出了VOUT/VIN傳輸函數。從該圖中可以清楚看到,通過(guò)降低電路阻抗(R2top小于R1+R2top,R2bottom小于R2bottom+R3),提高了電路帶寬。 8 實(shí)際值 實(shí)際設置R1、R3、R4和R5的阻值,可以對比圖l電路的帶寬,從而確定R4和R5對電路性能的影響。使用圖6(b)中的方程,得出R1、R3、R4和R5的阻值,然后計算最終帶寬。使用表格,可以找到滿(mǎn)足圖6(b)中方程的元件值:R1=3.48 kΩ、R2=10 kΩ、R3=4.53 kΩ、R4=l kΩ、R5=2.8 kΩ。采用這些元件值得出了表2所列的帶寬。注意,這些結果要比圖1電路提高100倍。 *注意,帶寬與觸點(diǎn)電容成反比。例如,采用3 pF Cwiper,帶寬提高3.3倍。 9 結語(yǔ) 介紹了在窄帶數字電位器中簡(jiǎn)單加入并聯(lián)電阻以提高系統帶寬的方法,顯著(zhù)提高系統性能(帶寬可提高100倍)。設計前提是假設實(shí)際應用允許降低電位器的控制范圍,以提高帶寬。帶寬提高后,數字電位器可用于以前無(wú)法涉及的高頻領(lǐng)域,例如視頻信號鏈路控制等。 |