digiPOT有兩種使用模式，即電位計模式或可變電阻器模式。圖1所示為電位計模式，此時有3個端子
，信號通過A端和B端連接
，W端(類似遊標）則提供衰減的輸出電壓。當數字比率控製輸入為全零時，遊標通常與B端連接。

 

圖1.電位計模式

 

遊標硬連線至任一端時，電位計就變成了簡單的可變電阻器, 如圖2所示。可變電阻器模式時需要的外部引腳更少，因此尺寸更小。部分digiPOT隻有可變電阻器模式。

 

圖2.可變電阻器模式

 

digiPOT電阻端的電流或電壓極性沒有限製，但是交流信號的幅度不能超過電源供電軌(V_DD 和 V_SS)器件在可變電阻器模式

，尤其是低電阻設置狀態下工作時，最大電流或電流密度, 應加以限製.

 

典型應用

 

信號衰減是電位計模式的固有特性，因為該器件本質上屬於分壓器。輸出信號定義為: V_OUT = V_IN × (R_DAC/R_POT), 其中R_POT是digiPOT的標稱端對端電阻，R_DAC 是通過數字方式選擇的W端和輸入信號參考引腳之間的電阻

，參考引腳通常為B端，如圖3所示.

 

圖3.信號衰減器

 

信號放大需要有源器件，通常是反相或同相放大器。通過適當的增益公式，電位計模式或可變電阻器模式均可使用

 

圖4顯示的是同相放大器，此時digiPOT相當於電位計，可通過反饋調整增益。由於部分輸出會反饋, R_AW/(R_WB + R_AW),應等於輸入
，理想增益為：

 

圖4.電位計模式中的同相放大器

 

該電路的增益與R_AW, 成反比R_AW接近零時會迅速上升，顯示出雙曲線傳遞函數特性。為了限製最大增益，可插入一個電阻與R_AW（位於增益公式的分母內）串聯

 

如果需要線性增益關係，可以采用可變電阻器模式以及固定外部電阻，如圖5所示
，增益現定義如下：

 

圖5.可變電阻器模式中的同相放大器

 

將低電容端（最新器件中為W引腳）連接至運算放大器輸入可獲得最佳性能.

 

digiPOT用於信號放大的優勢

 

圖4和圖5所示的電路具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，可工作於單極性和雙極性信號。digiPOT可用於遊標操作，采用固定外部電阻在更小的範圍內提供更高的分辨率，還可用於運算放大器電路，信號有無反轉均可。此外，digiPOT的溫度係數較低

，電位計模式時通常為5 ppm/°C，可變電阻器模式時則為35 ppm/°C。

 

digiPOT用於信號放大的限製

 

處理交流信號時
，digiPOT的性能受帶寬和失真的限製。受寄生器件影響，帶寬是指在小於3 dB衰減時能夠通過digiPOT的最大頻率。總諧波失真 (THD)（此處定義為後四個諧波的rms之和與輸出基波值的比值）是信號通過器件時衰減的量度。這些規格涉及的性能限製由內部digiPOT架構決定。通過分析
，我們可以更好地全麵了解這些規格，減少其負麵

 

內部架構已從傳統的串聯電阻陣列（如圖6a所示）發展至分段式架構（如圖6b所示）。主要的改進是減少了所需內部開關的數量。第一種情況采用串行拓撲結構
，開關數量為N = 2n是分辨率的位數。n = 10,時，需要1024個開關

 

圖6. a)傳統架構，b)分段式架構

 

專有（專利）分段式架構采用級聯連接
，可以最大限度地減少開關總數。圖6b的例子顯示的是兩段式架構
，由兩種類型的模塊組成，即左側的MSB和右側的LSB。

 

左側上下模塊是一串用於粗調位數的開關（MSB段）。右側模塊是一串用於精調位數的開關（LSB段）。MSB開關粗調後接近RA/RB比。LSB串的總電阻等於MSB串中的單個阻性元件，LSB開關可對主開關串上的任一點進行比率精調。A和B MSB開關為互補碼。

 

分段式架構的開關數量為:

 

     N = 2^{m + 1} + 2^{n – m},

 

其中n是總位數
，m是MSB字的分辨率位數。例如n = 10 and m = 5, 則需要96個開關。

 

分段式方案需要的開關數少於傳統開關串:

 

     兩者相差的開關數 = 2ⁿ – (2^m + 1 + 2^{n – m})

 

在該例中，節省的數量為

 

     1024 – 96 = 928!

 

兩種架構都必須選擇不同電阻值的開關
，充分考慮到模擬開關中的交流誤差源。這些CMOS（互補金屬氧化物半導體）開關由並行P溝道和N溝道MOSFET構成。這種基本雙向開關可以保持相當恒定的電阻(RON) 信號可達完整的供電軌.

 

帶寬

 

圖7顯示的是影響CMOS開關交流性能的寄生器件。

 

圖7.CMOS開關模式

 

C_DS = 漏極-源級電容; C_D = 漏極-柵級 + 漏極-體電容;C_S = 源級-柵級 + 源級-體電容.

 

傳遞關係如以下公式定義，其中包含的假設為:

 

● 源阻抗為 0 Ω

● 無外部負載影響

● 無來自C_DS的影響

● R_LSB  << R_MSB

 

 

其中:

 

R_DAC是設定電阻

 

R_POT是端對端電阻

 

C_DLSB是LSB段的總漏極-柵級 + 漏極-體電容

 

C_SLSB是LSB段的總源級-柵級 + 源級-體電容

 

C_DMSB是MSB開關的漏極-柵級 + 漏極-體電容

 

C_SMSB是MSB開關的源級-柵級 + 源級-體電容

 

m_off是信號MSB路徑的斷開開關數量

 

m_on是信號MSB路徑的接通開關數量

 

傳遞公式受各種因素影響
，與代碼存在一定關聯
，因此我們采用以下額外假設來簡化公式

 

C_DMSB + C_SMSB = C_DSMSB

 

C_DLSB + C_SLSB  >> C_DSMSB

 

(C_DLSB + C_SLSB) = C_W (詳見數據手冊)

 

C_DS對傳遞公式沒有影響
，但由於其出現的頻率通常比極點高的多RC 低通濾波器是主要的響應。理想的近似簡化公式為：

 

 

帶寬(BW)定義為:

 

 

其中CL是負載電容.

 

BW與代碼有關，最差的情況是代碼在半量程時
，AD5292的數字值為2₉= 512，AD5291的數字值為2₇ = 128)。圖8顯示的是低通濾波效應，它受代碼影響，在不同標稱電阻與負載電容值時會發生變化.

 

圖8.各種電阻值的最大帶寬與負載電容

 

PC板的寄生走線電容也應加以考慮，否則最大帶寬會低於預期值，走線電容可以采用以下公式簡單計算：

 

 

其中

 

εR是板材的介電常數

 

A是走線區域(cm2)

 

d是層間距(cm)

 

如
，假設FR4板材有兩個信號層和電源/接地層, εR = 4, 走線長度 = 3 cm寬度 = 1.2 mm, 層間距 = 0.3 mm; t則總走線電容約為 4 pF.

 

失真

 

THD用於量化器件作為衰減器的非線性。該非線性由內部開關及其隨電壓變化的導通電阻 R_ON而產生。圖9所示為放大的幅度失真示例.

 

圖9.失真

 

與單個內部無源電阻相比
，開關的R_ON很小
，其在信號範圍內的變化則更小。圖10顯示的是典型的導通電阻特性。

 

圖10.CMOS電阻

 

電阻曲線取決於電源電壓軌
，電源電壓最大時，內部開關的R_ON 變化最小。電源電壓降低時
，R_ON 變化和非線性都會隨之增加。圖11對比了低壓digiPOT在兩種供電電平下的R_ON

 

圖11.開關電阻變化與電源電壓的關係

 

HD取決於各種因素
，因此很難量化，若假設R_ON,的變化為10%
，則以下公式可用於近似計算:

 

 

一般說來
，標稱digiPOT電阻(R_POT),越大，則分母越大，THD就越小.

 

權衡

 

R_POT增(zeng)加(jia)後(hou)

，失(shi)真(zhen)和(he)帶(dai)寬(kuan)都(dou)會(hui)隨(sui)之(zhi)降(jiang)低(di)
，所(suo)以(yi)改(gai)進(jin)一(yi)項(xiang)指(zhi)標(biao)的(de)同(tong)時(shi)必(bi)定(ding)會(hui)犧(xi)牲(sheng)另(ling)一(yi)項(xiang)。因(yin)此(ci)，電(dian)路(lu)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)在(zai)兩(liang)者(zhe)之(zhi)間(jian)做(zuo)出(chu)適(shi)當(dang)的(de)權(quan)衡(heng)。這(zhe)也(ye)關(guan)係(xi)到(dao)器(qi)件(jian)的(de)設(she)計(ji)水(shui)平(ping)，因(yin)為(wei)IC設計人員必須平衡設計公式中的各個參數:

 

 

其中

 

C_OX是氧化電容

 

μ是電子(NMOS)或空穴(PMOS)的遷移常數

 

W是寬度

 

L是長度

 

偏置

 

從實用的角度來看，我們必須充分發揮各項特性。digiPOT通過容性耦合衰減交流信號時
，若信號偏置達到電源的中值，則失真最小。這意味著開關工作在電阻特性線性最強的部分.

 

一種方法是采用雙電源供電
，隻需將電位計接地至電源共模端，信號便會產生正負向擺動。如果需要單電源供電，或者某些digiPOT不支持雙電源時
，可以采用另一種方法，即添加V_DD/2的失調電壓至交流信號。該失調電壓必須添加到兩個電阻端，如圖12所示。

 

圖12.單電源供電交流信號調理

 

若需要使用信號放大器，雙電源供電的反相放大器優於同相放大器（如圖13所示），原因有以下兩項:

 

● THD性能更佳
，因為反相引腳的虛地可將開關電阻集中在電壓範圍中間。

● 因為反相引腳位於虛地，所以幾乎取消了遊標電容 C_DLSB,令帶寬增幅較小（必須注意電路穩定性）.

 

圖13.采用反相放大器digiPOT可調整放大

 

附錄——關於AD5291/AD5292

 

256/1024位數字電位計精度為1%，可編程20次

 

The AD5291/AD5292數字電位計，如圖14所示，具有256/1024位分辨率。端對端電阻有20 kΩ
、50 kΩ和100 kΩ可供選擇，誤差優於1%
，溫度係數在可變電阻器模式下時為35 ppm/°C，分壓器 模式下時為5 ppm/°C（比率）。這些器件可實現與機械電位計相同的電子調整功能
，但尺寸更小且更可靠。其遊標位置可通過SPI兼容接口調整。在熔斷熔絲，將遊標位置固定（此過程類似於將環氧樹脂塗在機械式調整器上）之前，可進行無限次調整。“去除環氧樹脂”過程最多可以重複20次。AD5291/AD5292采用9 V至33 V單電源或±9 V至±16.5 V雙電源


，功耗8 μW。采用14引腳TSSOP封裝，工作溫度範圍為–40°C至+105°C

 

圖14.AD5291/AD5292功能框圖

 

 

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