用數字電位器替代機械電位器

引言

數字電位器的可靠性遠遠高于機械電位器，能夠輕松保證50,000次以上的可靠讀寫次數，而機械電位器的重復調節次數只能達到幾千次甚至幾百次。數字電位器的分辨率為32級(5位)至256級(8位)或更高。對于LCD對比度調節等動態范圍要求不高的應用，選擇較低分辨率的器件即可滿足實際應用的要求。目前，有些高分辨率的數字電位器已經成為音頻等高保真應用的理想選擇，能夠提供高達90dB的動態調節范圍。

非易失

有些應用要求數字電位器具備非易失存儲功能，兩種類型的器件(易失和非易失存儲器)在市場上都很普及。非易失數字電位器更接近于機械電位器，它能夠在不同的外部條件(是否有外部電源供電)下保持阻值。

音頻設備需要內部儲存音量設置，設備重新上電時要求電位器保持相同的電阻值，即使在電源完全關閉的情況下。

MAX5427/MAX5428/MAX5429系列數字電位器提供獨特的編程功能。這些器件為具有一次性編程(OTP)存儲器，將電位器抽頭的上電復位(POR)位置設置在用戶定義的數值(抽頭位置保持可調，但重新上電后始終返回到固定的設置位置)。此外，OTP還可以禁止接口通信，將抽頭鎖存到所要求的固定位置，避免進一步的調節。這種情況下，器件成為一個固定比值的電阻分壓器，而非電位器。

音頻設計考慮

電位器具有對數抽頭和線性抽頭，高保真音頻設備的音量調節一般選用對數電位器，因為考慮到人耳的非線性濾波特性，對數抽頭可以獲得線性音量調節。目前，高集成度數字電位器可以在單芯片內集成六路獨立的電位器，以支持多聲道音頻系統，例如：立體聲、杜比環繞立體聲系統。

音頻應用中，特別是在數字電位器調節分辨率較低(32級)時，需要特別注意抽頭級間變化過程。如果抽頭不是在0V時發生變化，音頻系統會產生喀嗒聲和噼噗聲(圖1)。幸運的是，新一代數字電位器具有所謂的過零檢測功能，能夠在抽頭跳變時降低音頻噪聲。內部過零和超時檢測電路確保抽頭在檢測到過零(0V)信號或經過50ms延時(具體取決于首先發生的條件)后跳變。


圖1. 在0V電平切換時，音頻喀嗒聲和噼噗聲的影響

除了上述數字電位器中的模擬電路外，每個數字電位器還包含一個數字接口。絕大多數電位器可通過傳統的I2C或SPI?編程，有些則提供便利的上/下調節接口。

性能改善

與機械電位器相比，數字電位器還具備另一優勢。數字電位器的調節抽頭直接安裝在電路板的信號通路，利用電子調節避免了復雜、昂貴的機械調節裝置。數字電位器改善了噪聲抑制指標，消除了機械電位器接口電纜的拾取噪聲。

傳統的數字電位器可直接替代機械電位器，具有相同的工作方式，無需過多的說明。但是，在一些特殊應用中，例如：低成本立體聲音量控制，需要一些附加說明。對于音頻這一特殊應用，一般要求工作在較寬的電壓范圍，以支持較寬的音頻信號范圍。一般選擇對數抽頭，抽頭級數增加時，衰減分貝數隨之增大，非常適合人耳的頻響特性。有些器件具有靜音功能，提供更大的衰減(例如：30dB)。

溫度考慮

數字電位器的典型參數之一是溫度系數(TC)，定義在額定的溫度范圍。絕大多數電位器需要定義兩個不同的TC，一個是絕對端至端TC，該參數代表了電阻隨溫度變化的絕對值，由下式計算：

ΔR = RUNCOMP × TC × ΔT/106

其中：
RUNCOMP是未經補償的電阻值，
TC為溫度系數，
ΔT為溫度變化量。

例如，一個阻值為20kΩ的數字電位器，如果絕對TC為35ppm，則在50°C溫度變化范圍內將會產生35Ω (0.2%)的阻值變化。另外，20kΩ端到端電阻的初始值可能變化比較明顯，變化范圍可能在15kΩ至25kΩ。這種情況下，對于一個32抽頭的電位器，每級對應的電阻值(增量)可能在470Ω至780Ω。這一變化量遠遠高于絕對TC的偏差。

另一個典型TC時電阻比值TC，電位器通常用作分壓器，特別是在比例設計中，對于絕對電阻值變化(絕對溫度系數)的要求與比值變化相比并不嚴格。例如，5ppm的比例TC能夠在整個溫度范圍內獲得非常穩定的增益。

高分辨率應用

數字電位器用于可編程增益放大器(PGA)和儀表放大器(IA)時，對精度的要求通常高于標準調節電路(圖2)。這些應用中一般要求在-40°C至+85°C范圍內，分壓比誤差(精度)在0.025%以內。


圖2. 利用運算放大器和數字電位器(下方IC)構成精密的可編程增益放大器

結論

數字電位器與機械電位器相比具有眾多優勢，除了提高可靠性外，它們還占用更少的空間；由于降低了寄生效應，數字電位器能夠提供更好的電特性，并且不易受噪聲的影響。 數字電位器能夠在各種應用中替代機械電位器，使設計人員和最終用戶受益。