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如何提高數(shù)字電位器的帶寬?

發(fā)布時(shí)間:2021-02-19 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】數(shù)字電位器(digital pot或digipot)被廣泛用于控制或調(diào)整電路參數(shù)。一般而言,由于數(shù)字電位器本身的帶寬限制,它只能用于直流或低頻應(yīng)用。其典型的-3dB帶寬在100kHz至幾MHz內(nèi),具體與型號(hào)有關(guān)。試問要如何將信號(hào)帶寬從10被提高到100倍。
  
在很多數(shù)字電位器應(yīng)用中,電位器用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行微調(diào),并不需要從0%到100%的滿量程調(diào)整,例如:一次性工廠校準(zhǔn)等。在這些例子中,數(shù)字電位器一般提供10%以下的調(diào)整范圍??梢岳眠@一有限的調(diào)整范圍來提高數(shù)字電位器的帶寬。
 
典型的電位器電路配置如下圖所示。這里,數(shù)字電位器用于改變信號(hào)的衰減量。R2為數(shù)字電位器,圖中還標(biāo)出了寄生電容(Cwiper)。該電容是所有數(shù)字電位器固有的,它限制了電路帶寬。電位器在0至滿量程之間擺動(dòng)時(shí),R1和R3用于限制由數(shù)字電位器引起的信號(hào)衰減。
 
如何提高數(shù)字電位器的帶寬?
 
為計(jì)算電路的傳輸函數(shù)(VOUT/VIN),可以使用不同模式的電位器—參見下圖。圖中,R2被分成了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(shè)我們使用的電位器具有10kΩ的端到端電阻(忽略觸點(diǎn)電阻的影響),R2top和R2bottom相對(duì)于數(shù)字編碼的理想傳輸函數(shù)如第二張圖所示。下面介紹了傳輸函數(shù)的兩個(gè)端點(diǎn)和中點(diǎn):
(1) 當(dāng)電位器編碼 = 0時(shí),R2top = 10kΩ,R2bottom = 0kΩ
(2) 當(dāng)電位器編碼 = 中間位置時(shí),R2top = R2bottom = 5kΩ
(3) 當(dāng)電位器編碼 = 滿標(biāo)位置時(shí),R2top = 0kΩ,R2bottom = 10kΩ
 
如何提高數(shù)字電位器的帶寬?

如何提高數(shù)字電位器的帶寬?
 
從下圖可以得出VOUT/VIN的直流傳輸函數(shù):
(4) VOUT/VIN = (R3 + R2bottom)/(R1 + R2 + R3),其中R2 = R2top + R2bottom
 
如何提高數(shù)字電位器的帶寬?
 
下面,讓我們做一些假設(shè):
假設(shè)R2 = 10kΩ (常用的數(shù)字電位器電阻值),如果希望把輸入信號(hào)衰減到任意電平,例如,輸入值的70% ±5% (輸入值的65%到75%)。
然后,使用式(1)–(4),可以看到有65%到75%的調(diào)整范圍,標(biāo)稱值(中間位置)為70%:
(5) R1 = 24.9kΩ并且R3 = 64.9kΩ
典型應(yīng)用電路的帶寬
利用式(5)的電阻值,假設(shè)Cwiper = 10pF,可以獲得表1所列出的帶寬。實(shí)際觸點(diǎn)電容在3pF在80pF范圍內(nèi),與觸點(diǎn)電阻、步長(zhǎng)數(shù)、所采用的IC工藝以及電位器體系結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。3V至5V供電、32至256步長(zhǎng)的10kΩ電位器的典型電容值為3pF–10pF。
 
注意,以上分析基于的假設(shè)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。這種方法是最直接的電位器使用方式,如果采用更復(fù)雜的電位器配置,可能會(huì)進(jìn)一步限制帶寬。因此,下面對(duì)提高帶寬的討論非常有用,即使實(shí)際得到的帶寬沒有達(dá)到預(yù)期目的。
 
表1. 圖1電路的帶寬,采用式5電阻
Condition                       Cwiper = 10pF*
-0.1dB bandwidth        -0.5dB bandwidth        -3dB Bandwidth
Pot at 0 Code             106kHz        245kHz        702kHz
Pot at Mid Scale         115kHz        265kHz        760kHz
Pot at Full Scale         130kHz        296kHz        852kHz
*注意,帶寬與觸點(diǎn)電容成反比。例如,采用3pF Cwiper,帶寬頻率將提高3.3倍(即,10/3)。
 
對(duì)于視頻等應(yīng)用,這些帶寬還是過低。
 
提高電路帶寬
 
使用低電阻電位器
一種提高電路帶寬最明顯的方法是選擇具有較低阻值的數(shù)字電位器,例如,1kΩ電位器,按比例調(diào)整R1和R2 (1kΩ電位器與10kΩ電位器相比,阻值減小10倍)。然而,低阻值數(shù)字電位器(1kΩ)一般占用較大的裸片面積,意味著較高的成本和較大的封裝尺寸,出于這一原因,1kΩ電位器的實(shí)際應(yīng)用非常有限。
 
如果某一電位器能夠滿足設(shè)計(jì)要求,上面提到的10kΩ電位器的帶寬會(huì)隨著電阻的減小而線性提高,例如,提高10倍(假設(shè)雜散觸點(diǎn)電容沒有變化)。
 
例如,使用1kΩ電位器,設(shè)置R1 = 2.49kΩ, R3 = 6.49kΩ,觸點(diǎn)電容為10pF,電位器設(shè)在中間位置,可以獲得1.15MHz的-0.1dB帶寬,以及7.6MHz的-3dB帶寬。這要比表1所列出的帶寬提高10倍。
 
使用10kΩ電位器,改變電路拓?fù)?/div>
 
使用高精度電位器,限制編碼范圍
與1kΩ電位器相比,選擇5kΩ和10kΩ電位器可能是更好的方案–可以獲得更小封裝的電位器,從中可以選擇易失或非易失存儲(chǔ)器,也有更多的數(shù)字接口選擇(up/down、I²C、SPI™)以及調(diào)整步長(zhǎng)(32、64、128、256等)。
 
出于這一原因,下面的設(shè)計(jì)實(shí)例選擇了具有10kΩ端到端電阻的電位器。
假設(shè)由于成本、體積、接口以及電位器調(diào)整步長(zhǎng)等因素的限制,需要使用10kΩ端到端電阻電位器,這種情況下如何提高圖1電路的帶寬呢? 
 
提高帶寬的一種方法是去掉電阻R1和R3,使用步長(zhǎng)數(shù)多于圖1電路要求的電位器。例如,32步長(zhǎng)電位器獲得10%的調(diào)整范圍,按照上述介紹,可以選擇替換這一步長(zhǎng)的電位器,而使用256步長(zhǎng)電位器,去掉R4和R6,限制電位器的調(diào)整范圍在達(dá)到要求衰減的編碼之內(nèi)—我們繼續(xù)上面的設(shè)計(jì)目標(biāo),65%到75%。這種方法在圖5給出了解釋。所使用的編碼是從0.65 × 256 ( = 166.4,使用166)到編碼0.75 × 256 ( = 192)。這個(gè)例子中使用了一個(gè)256步長(zhǎng)的電位器;由于有限的編碼將可用步長(zhǎng)數(shù)限制在26 (即,10%的調(diào)整范圍,僅用了256步長(zhǎng)的10%)。26步長(zhǎng)可用范圍對(duì)應(yīng)于上例中的32步長(zhǎng)范圍。
 
如何提高數(shù)字電位器的帶寬?
 
與32步長(zhǎng)的電位器相比,這一方法的一個(gè)缺點(diǎn)是:256步長(zhǎng)電位器的成本要高得多,可以選擇的電位器封裝尺寸較大(額外的精度需要額外的開關(guān)—例如,256步長(zhǎng)和32步長(zhǎng)相比,需要占用額外的裸片面積,而且,這些開關(guān)并不利于改善Cwiper)。假設(shè)Cwiper為30pF,VOUT/VIN = 0.70—在調(diào)整范圍的中點(diǎn),圖5電路有384kHz的-0.1dB帶寬,879kHz的-0.5dB帶寬,2.52MHz的-3dB帶寬。與表1結(jié)果相比,帶寬提高了3倍。
 
一種成本更低、性能更好的方案是在圖1電路中加入一些分立電阻,如圖6所示。
 
如何提高數(shù)字電位器的帶寬?
 
使用并聯(lián)電阻降低電路阻抗
 
圖6中的電路在圖1基礎(chǔ)上增加了并聯(lián)電阻(注意,使用了圖2中引入的數(shù)字電位器模型)。并聯(lián)電阻降低了電路阻抗(從而提高了帶寬),通過設(shè)置電路增益,限制由數(shù)字電位器在0編碼到滿標(biāo)編碼之間擺動(dòng)時(shí)導(dǎo)致的衰減,可以達(dá)到雙重目的。
 
設(shè)置電位器電路增益,使用并聯(lián)器件限制其調(diào)整范圍(R4和R5,而不是簡(jiǎn)單使用串聯(lián)器件R1、R2和R3),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,但是由于其串聯(lián)電阻要比R4和R5大得多,這種影響非常小。
 
可以通過幾個(gè)簡(jiǎn)單的示例來說明R4和R5對(duì)圖6電路的影響。在圖7中,電路上部的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。
 
如何提高數(shù)字電位器的帶寬?
 
在圖8中,電路下部的電阻采用了圖中方程給出的電阻組合值。注意,由于R5與R3和R2bottom并聯(lián),它也降低了電路阻抗。正是較低的電路阻抗使得帶寬大大體高,達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。
 
如何提高數(shù)字電位器的帶寬?
 
圖9結(jié)合了前面圖中的簡(jiǎn)化示例,給出了VOUT/VIN傳輸函數(shù)。從該圖中可以清楚看到,通過降低電路阻抗(Rtop小于R1 + R2top,Rbottom小于R2bottom + R3),提高了電路帶寬。
 
如何提高數(shù)字電位器的帶寬?
 
實(shí)際值
實(shí)際設(shè)置R1、R3、R4和R5的阻值,可以對(duì)比圖1電路得到的帶寬,從而確定R4和R5對(duì)電路性能的影響。
使用圖9中的方程,可以得出R1、R3、R4和R5的阻值,然后計(jì)算最終帶寬。
 
使用表格,可以找到滿足圖9方程的元件值:
(6) R1 = 3.48kΩ、R2 = 10kΩ、R3 = 4.53kΩ、R4 = 1kΩ和R5 = 2.8kΩ
采用這些元件值得出了表2列出的帶寬。注意,這些結(jié)果比圖1電路改善100倍,其數(shù)據(jù)列在表1中
如何提高數(shù)字電位器的帶寬?
 
 
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