ADI:深化了解digiPOT标准与架构，提高沟通功能

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数字电位计 (digiPOTs)一般用于便利的调整传感器的沟通或直流电压或电流输出、电源供电、或其他需求某种类型校准的器材，比方守时、频率、对比度、亮度、增益，以及失调调整。数字设置简直能够防止机械电位计相关的一切问题，比方物理尺度、机械磨损、游标调定、电阻漂移，以及对振荡、温度和湿度灵敏等问题，还能够消除因运用螺丝刀导致的布局不灵敏问题。

digiPOT有两种运用形式，即电位计形式或可变电阻器形式。图1所示为电位计形式，此刻有3个端子，信号经过A端和B端衔接，W端(相似游标）则供给衰减的输出电压。当数字比率操控输入为全零时，游标一般与B端衔接。

游标硬连线至任一端时，电位计就变成了简略的可变电阻器, 如图2所示。可变电阻器形式时需求的外部引脚更少，因而尺度更小。部分digiPOT只要可变电阻器形式。

digiPOT电阻端的电流或电压极性没有约束，可是沟通信号的起伏不能超过电源供电轨(V_DD 和 V_SS)器材在可变电阻器形式，尤其是低电阻设置状态下作业时，最大电流或电流密度, 应加以约束.

典型运用

信号衰减是电位计形式的固有特性，由于该器材本质上归于分压器。输出信号界说为: V_OUT = V_IN × (R_DAC/R_POT), 其间R_POT是digiPOT的标称端对端电阻，R_DAC 是经过数字办法挑选的W端和输入信号参阅引脚之间的电阻，参阅引脚一般为B端，如图3所示.

信号扩大需求有源器材，一般是反相或同相扩大器。经过恰当的增益公式，电位计形式或可变电阻器形式均可运用

图4显现的是同相扩大器，此刻digiPOT恰当于电位计，可经过反应调整增益。由于部分输出会反应, R_AW/(R_WB + R_AW),应等于输入，抱负增益为：

该电路的增益与R_AW,成反比R_AW挨近零时会敏捷上升，显现出双曲线传递函数特性。为了约束最大增益，可刺进一个电阻与R_AW（坐落增益公式的分母内）串联

假如需求线性增益联系，能够选用可变电阻器形式以及固定外部电阻，如图5所示，增益现界说如下：

将低电容端（最新器材中为W引脚）衔接至运算扩大器输入可获得最佳功用.

digiPOT用于信号扩大的优势

图4和图5所示的电路具有高输入阻抗和低输出阻抗，可作业于单极性和双极性信号。digiPOT可用于游标操作，选用固定外部电阻在更小的规模内供给更高的分辨率，还可用于运算扩大器电路，信号有无回转均可。此外，digiPOT的温度系数较低，电位计形式时一般为5 ppm/°C，可变电阻器形式时则为35 ppm/°C。

digiPOT用于信号扩大的约束

处理沟通信号时，digiPOT的功用受带宽和失真的约束。受寄生器材影响，带宽是指在小于3 dB衰减时能够经过digiPOT的最大频率。总谐波失真 (THD)（此处界说为后四个谐波的rms之和与输出基波值的比值）是信号经过器材时衰减的测量。这些标准触及的功用约束由内部digiPOT架构决议。经过剖析，咱们能够更好地全面了解这些标准，削减其负面

内部架构已从传统的串联电阻阵列（如图6a所示）开展至分段式架构（如图6b所示）。首要的改善是削减了所需内部开关的数量。第一种状况选用串行拓扑结构，开关数量为N = 2ⁿ是分辨率的位数。n = 10,时，需求1024个开关

专有（专利）分段式架构选用级联衔接，能够最大极限地削减开关总数。图6b的比如显现的是两段式架构，由两种类型的模块组成，即左边的MSB和右侧的LSB。

左边上下模块是一串用于粗调位数的开关（MSB段）。右侧模块是一串用于精调位数的开关（LSB段）。MSB开关粗调后挨近RA/RB比。LSB串的总电阻等于MSB串中的单个阻性元件，LSB开关可对主开关串上的任一点进行比率精调。A和B MSB开关为互补码。

分段式架构的开关数量为:

     N = 2^{m + 1} + 2^{n – m},

其间n是总位数，m是MSB字的分辨率位数。例如n = 10 and m = 5, 则需求96个开关。

分段式计划需求的开关数少于传统开关串:

     两者相差的开关数 = 2ⁿ – (2^m + 1 + 2^{n – m})

在该例中，节约的数量为

     1024 – 96 = 928!

两种架构都有必要挑选不同电阻值的开关，充沛考虑到模仿开关中的沟通差错源。这些CMOS（互补金属氧化物半导体）开关由并行P沟道和N沟道MOSFET构成。这种根本双向开关能够坚持恰当稳定的电阻(RON) 信号可达完好的供电轨.

带宽

图7显现的是影响CMOS开关沟通功用的寄生器材。

C_DS = 漏极-源级电容; C_D = 漏极-栅级 + 漏极-体电容;C_S = 源级-栅级 + 源级-体电容.

传递联系如以下公式界说，其间包括的假定为:

• 源阻抗为 0 Ω
• 无外部负载影响
• 无来自C_DS的影响
• R_LSB  << R_MSB

其间:

R_DAC是设定电阻

R_POT是端对端电阻

C_DLSB是LSB段的总漏极-栅级 + 漏极-体电容

C_SLSB是LSB段的总源级-栅级 + 源级-体电容

C_DMSB是MSB开关的漏极-栅级 + 漏极-体电容

C_SMSB是MSB开关的源级-栅级 + 源级-体电容

m_off是信号MSB途径的断开开关数量

m_on是信号MSB途径的接通开关数量

传递公式受各种因素影响，与代码存在必定相关，因而咱们选用以下额定假定来简化公式

C_DMSB + C_SMSB = C_DSMSB

C_DLSB + C_SLSB  >> C_DSMSB

(C_DLSB + C_SLSB) = C_W (详见数据手册)

C_DS对传递公式没有影响，但由于其呈现的频率一般比极点高的多RC 低通滤波器是首要的呼应。抱负的近似简化公式为：

带宽(BW)界说为:

其间CL是负载电容.

BW与代码有关，最差的状况是代码在半量程时，AD5292的数字值为2₉= 512，AD5291的数字值为2₇ = 128)。图8显现的是低通滤波效应，它受代码影响，在不同标称电阻与负载电容值时会发生改变.

PC板的寄生走线电容也应加以考虑，不然最大带宽会低于预期值，走线电容能够选用以下公式简略核算：

其间

εR是板材的介电常数

A是走线区域(cm²)

d是层距离(cm)

如，假定FR4板材有两个信号层和电源/接地层, ε_R = 4, 走线长度 = 3 cm宽度 = 1.2 mm, 层距离 = 0.3 mm; t则总走线电容约为 4 pF.

失真

THD用于量化器材作为衰减器的非线性。该非线性由内部开关及其随电压改变的导通电阻 R_ON而发生。图9所示为扩大的起伏失真示例.

与单个内部无源电阻比较，开关的R_ON很小，其在信号规模内的改变则更小。图10显现的是典型的导通电阻特性。

电阻曲线取决于电源电压轨，电源电压最大时，内部开关的R_ON 改变最小。电源电压下降时，R_ON 改变和非线性都会随之增加。图11对比了低压digiPOT在两种供电电平下的R_ON

HD取决于各种因素，因而很难量化，若假定R_ON,的改变为10%，则以下公式可用于近似核算:

一般说来，标称digiPOT电阻(R_POT),越大，则分母越大，THD就越小.

权衡

R_POT增加后，失真和带宽都会随之下降，所以改善一项目标的一起必定会献身另一项。因而，电路规划人员有必要在两者之间做出恰当的权衡。这也联系到器材的规划水平，由于IC规划人员有必要平衡规划公式中的各个参数:

其间

C_OX是氧化电容

μ是电子(NMOS)或空穴(PMOS)的搬迁常数

W是宽度

L是长度

偏置

从有用的视点来看，咱们有必要充沛发挥各项特性。digiPOT经过容性耦合衰减沟通信号时，若信号偏置到达电源的中值，则失真最小。这意味着开关作业在电阻特性线性最强的部分.

一种办法是选用双电源供电，只需将电位计接地至电源共模端，信号便会发生正负向摇摆。假如需求单电源供电，或许某些digiPOT不支持双电源时，能够选用另一种办法，即增加V_DD/2的失调电压至沟通信号。该失调电压有必要增加到两个电阻端，如图12所示。

若需求运用信号扩大器，双电源供电的反相扩大器优于同相扩大器（如图13所示），原因有以下两项:

• THD功用更佳，由于反相引脚的虚地可将开关电阻会集在电压规模中心。
• 由于反相引脚坐落虚地，所以简直取消了游标电容 C_DLSB,令带宽增幅较小（有必要留意电路稳定性）.

附录——关于AD5291/AD5292

256/1024位数字电位计精度为1%，可编程20次

The AD5291/AD5292数字电位计，如图14所示，具有256/1024位分辨率。端对端电阻有20 kΩ、50 kΩ和100 kΩ可供挑选，差错优于1%，温度系数在可变电阻器形式下时为35 ppm/°C，分压器 形式下时为5 ppm/°C（比率）。这些器材可完成与机械电位计相同的电子调整功用，但尺度更小且更牢靠。其游标位置可经过SPI兼容接口调整。在熔断熔丝，将游标位置固定（此进程相似于将环氧树脂涂在机械式调整器上）之前，可进行无限次调整。“去除环氧树脂”进程最多能够重复20次。AD5291/AD5292选用9 V至33 V单电源或±9 V至±16.5 V双电源，功耗8 μW。选用14引脚TSSOP封装，作业温度规模为–40°C至+105°C