數(shù)字電位器與機(jī)械電位器技術(shù)性能大比拼

數(shù)字電位器的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械電位器，能夠輕松保證50，000次以上的可靠讀寫次數(shù)，而機(jī)械電位器的重復(fù)調(diào)節(jié)次數(shù)只能達(dá)到幾千次甚至幾百次。數(shù)字電位器的分辨率為32級(jí)（5位）至256級(jí)（8位）或更高。對于LCD對比度調(diào)節(jié)等動(dòng)態(tài)范圍要求不高的應(yīng)用，選擇較低分辨率的器件即可滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。目前，有些高分辨率的數(shù)字電位器已經(jīng)成為音頻等高保真應(yīng)用的理想選擇，能夠提供高達(dá)90dB的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)范圍。

簡介

自電子電路的早期階段開始，電位器就得到了廣泛的使用，使用它可方便地校正系統(tǒng)、調(diào)節(jié)放大器內(nèi)的偏移電壓或增益、調(diào)諧濾波器以及控制屏幕亮度等。機(jī)械電位器本身存在一些固有的局限性，比如：尺寸大小、機(jī)械磨損、游標(biāo)污染、電阻漂移、對振動(dòng)和濕度敏感以及布局缺乏靈活性，這一切都是由其物理結(jié)構(gòu)所決定的。

數(shù)字電位器旨在解決所有上述問題，提供更高的可靠性和精度，電壓毛刺更小。目前，只有在數(shù)字電位器不適用的環(huán)境中（比如：高溫環(huán)境或大功率應(yīng)用場合），才會(huì)使用機(jī)械電位器。

將兩種技術(shù)進(jìn)行對比是辨別系統(tǒng)最佳解決方案的最簡單方法。

結(jié)構(gòu)

機(jī)械電位器

機(jī)械電位器由一個(gè)很大的電阻元件組成，在外部通過兩個(gè)端子相連接。電阻元件的形式多種多樣，根據(jù)所采用的技術(shù)，其封裝方法也不同?？梢詾閱稳蚨嗳?，或者簡單的扁平型封裝。

第三個(gè)端子也稱為游標(biāo)，它可在整個(gè)電阻元件上移動(dòng)，來選擇每個(gè)外部端子與游標(biāo)之間的電阻大小。在游標(biāo)和電阻元件之間存在著較小的接觸電阻，通常稱之為游標(biāo)電阻（如圖1所示）。

圖1. 機(jī)械電位器

數(shù)字電位器

數(shù)字電位器由一個(gè)電阻元件陣列組成，該陣列的終端通過兩個(gè)端子（A和B）與外部相連。在兩個(gè)無源電阻的結(jié)點(diǎn)處，有一個(gè)開關(guān)。這些開關(guān)通過與外部端子（稱之為游標(biāo)或W）結(jié)合的單個(gè)觸點(diǎn)互相連接（如圖2所示）。

圖2. 數(shù)字電位器

由于這些開關(guān)通過互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）加工工藝設(shè)計(jì)而成，因此允許電流以任意方向流動(dòng)。這些開關(guān)由一個(gè)數(shù)字模塊控制，并且一次只能接通一個(gè)開關(guān)。通過與機(jī)械電位器進(jìn)行類比，寄生開關(guān)電阻也可稱為游標(biāo)電阻。

結(jié)構(gòu)綜述

機(jī)械電位器更容易受到物理環(huán)境變化（比如：振動(dòng)、沖擊和游標(biāo)污染）的影響，這一切都是由其物理結(jié)構(gòu)所決定的。而擁有整體結(jié)構(gòu)的數(shù)字電位器，在所有上述情況下，都不會(huì)受到影響。

調(diào)節(jié)

機(jī)械電位器

從理論上來說，由于游標(biāo)可在整個(gè)電阻上移動(dòng)，因此，機(jī)械電位器可提供無限的分辨率；但是調(diào)節(jié)電阻時(shí)所形成的各物理因素（比如：螺絲刀壓力或材料間的摩擦）會(huì)使精度下降，這樣就會(huì)造成電阻的最終值準(zhǔn)確度較低。

需要注意的是，重新調(diào)節(jié)的最大次數(shù)或平均故障間隔時(shí)間（MTBF），通常都不超過幾千次。

數(shù)字電位器

游標(biāo)位置取決于RDAC寄存器中的內(nèi)容，在寄存器中寫入內(nèi)容的次數(shù)沒有限制。如圖3和圖4所示，使用SPI、I2C或up/down等數(shù)字接口、手動(dòng)使用按鈕開關(guān)或數(shù)字編碼器，都可將內(nèi)容寫入RDAC寄存器。

圖3. 按鈕接口

圖4 使用數(shù)字編碼器控制Up/Down接口

數(shù)字電位器類似于機(jī)械電位器，如果事先對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，則在上電時(shí)，它可儲(chǔ)存RDAC代碼。ADI公司的數(shù)字電位器提供三種不同的存儲(chǔ)器技術(shù)：熔絲、EEPROM、易失性數(shù)字電位器 。

熔絲

類似于在機(jī)械電位器上放置環(huán)氧樹脂，熔絲對于只需設(shè)定一次的系統(tǒng)校準(zhǔn)來說是理想之選。ADI公司提供1到50次的可編程熔絲存儲(chǔ)器。

EEPROM

EEPROM耐久性達(dá)100萬周期，數(shù)據(jù)保存期限100年，對于需保留最近編程值（如：音量控制應(yīng)用）的系統(tǒng)來說，EEPROM是理想的選擇。

易失性

RDAC寄存器默認(rèn)在中間電平時(shí)加載，如果電源斷開則無法保持該電阻大小。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)會(huì)持續(xù)重新校準(zhǔn)輸出，因此易失性數(shù)字電位器是此類系統(tǒng)的理想之選。它無需恢復(fù)之前的數(shù)值，或者也可以在上電/復(fù)位時(shí)，用控制器來設(shè)置數(shù)值。

電阻元件

機(jī)械電位器

由于電阻元件采用的可能是各種不同的材料（比如：金屬陶瓷、石墨或?qū)щ娝芰希?，因此，電阻的大小就可能為?shù)十歐乃至兆歐，在額定誤差范圍內(nèi)得到保證。

該誤差被稱為電阻容許誤差，根據(jù)電位器材料的質(zhì)量和所采用的不同工藝，它會(huì)上下波動(dòng)。典型值范圍在±30%和±10%之間，更高品質(zhì)電位器的誤差可低至±3%.

另外一種誤差是由于電阻元件的溫度所造成的。該種依賴性可大可小，它取決于材料。最終電阻值會(huì)隨溫度而成比例變化。該誤差被稱之為溫度系數(shù)或tempCo.

線繞電阻等較新材料的溫度系數(shù)可低至10 ppm/°C.而舊的機(jī)械電位器所采用的材料為石墨，但其溫度依賴性高達(dá)500 ppm/°C.

存在一些與材料相關(guān)的限制（比如：最大功耗，可小至幾毫瓦，大至數(shù)百瓦）。無論情況如何，電阻終端之間的電壓都與功率成正比。該電壓大小可為數(shù)十伏，也可為數(shù)百伏，甚至上千伏。

一般而言，機(jī)械電位器中電壓和電流的額定值雖然較高，但它們與環(huán)境溫度成反比例關(guān)系。設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)基于最終應(yīng)用中的預(yù)期最高溫度來驗(yàn)證電位器是否能夠處理最大估計(jì)功率。

表1顯示的是機(jī)械電位器（根據(jù)所使用的材料進(jìn)行分類）的所有特性，以供快速參考。

表1：機(jī)械電位器的材料對比

數(shù)字電位器

ADI公司提供最寬的阻值可選范圍：1k至1M。

電阻容許誤差之前為±20%，但現(xiàn)在已經(jīng)有所下降。ADI公司目前提供容許誤差為±8%的電阻，或經(jīng)校準(zhǔn)后容許誤差為±1%的精密電阻。

另外，具有非易失性EEPROM的數(shù)字電位器通?？纱鎯?chǔ)容許誤差，這些誤差可通過控制器讀回，并被用于校正外部電阻。

任意給定代碼下的溫度依賴性和溫度系數(shù)，都取決于兩個(gè)因素：電阻元件和開關(guān)電阻。開關(guān)電阻較小，但在較低代碼處，所選擇的電阻也很小時(shí)，由于阻值非常接近，開關(guān)電阻變得很明顯。開關(guān)電阻的溫度系數(shù)所影響到的代碼數(shù)，直接取決于標(biāo)稱電阻值，該區(qū)域的典型溫度系數(shù)約為600 ppm/°C.

電阻元件所采用的主要材料有兩種：多晶硅或薄膜金屬。

多晶硅是一種常用材料，它與石墨類似，對于溫度的依賴性非常高，溫度系數(shù)高達(dá)600 ppm/°C.薄膜金屬電阻的溫度系數(shù)則較低，大約為35 ppm/°C.ADI公司數(shù)據(jù)手冊中給出了任意給定代碼下的溫度系數(shù)圖表。

由于尺寸較小，數(shù)字電位器的功耗也很小，在數(shù)十毫瓦以內(nèi)。與機(jī)械電位器相比，在所有溫度范圍內(nèi)，該功率保持恒定。數(shù)字電位器最大端電壓由供電軌來限定。就不同的數(shù)字電位器而言，其電壓范圍可從2.3V至33V.但是，任何情況下，最大電流通常都不會(huì)超過幾毫安。

附加技術(shù)規(guī)格

使用數(shù)字電位器時(shí)，開關(guān)會(huì)引入一些與機(jī)械電位器不相關(guān)的技術(shù)規(guī)格。

由于開關(guān)中

存在寄生電容，所以有帶寬限制。這也就決定了，在游標(biāo)內(nèi)，可穿過電阻端的最大信號(hào)頻率的衰減量小于3dB.該傳遞公式與低通濾波器相似。

電容與所選擇的標(biāo)稱電阻無關(guān)，而僅僅取決于內(nèi)部開關(guān)設(shè)計(jì)。因此，使用較低的標(biāo)稱電阻值可獲得較高的帶寬。表2為一個(gè)示例。

表2 AD8400最大頻率和標(biāo)稱電阻

游標(biāo)電阻的非線性度會(huì)增加諧波失真程度。總諧波失真（THD）衡量信號(hào)在通過電阻后所下降的程度。圖5顯示了一個(gè)放大的圖示。

圖5. THD效應(yīng)

例如，如果總諧波失真（THD）為-80 dB，則信號(hào)下降程度為10-80/20 = 0.1 mV/VIN，因此如果信號(hào)為1 V p-p，則總信號(hào)失真為0.1 mV × 2 = 0.2 mV.

數(shù)字電位器的總諧波失真范圍為-60 dB到-106 dB，是音頻應(yīng)用的理想選擇。

非易失

有些應(yīng)用要求數(shù)字電位器具備非易失存儲(chǔ)功能，兩種類型的器件（易失和非易失存儲(chǔ)器）在市場上都很普及。非易失數(shù)字電位器更接近于機(jī)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(shè)備需要內(nèi)部儲(chǔ)存音量設(shè)置，設(shè)備重新上電時(shí)要求電位器保持相同的電阻值，即使在電源完全關(guān)閉的情況下。

MAX5427/MAX5428/MAX5429系列數(shù)字電位器提供獨(dú)特的編程功能。這些器件為具有一次性編程（OTP）存儲(chǔ)器，將電位器抽頭的上電復(fù)位（POR）位置設(shè)置在用戶定義的數(shù)值（抽頭位置保持可調(diào)，但重新上電后始終返回到固定的設(shè)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(jìn)一步的調(diào)節(jié)。這種情況下，器件成為一個(gè)固定比值的電阻分壓器，而非電位器。

音頻設(shè)計(jì)考慮

電位器具有對數(shù)抽頭和線性抽頭，高保真音頻設(shè)備的音量調(diào)節(jié)一般選用對數(shù)電位器，因?yàn)榭紤]到人耳的非線性濾波特性，對數(shù)抽頭可以獲得線性音量調(diào)節(jié)。目前，高集成度數(shù)字電位器可以在單芯片內(nèi)集成六路獨(dú)立的電位器，以支持多聲道音頻系統(tǒng)，例如：立體聲、杜比環(huán)繞立體聲系統(tǒng)。

音頻應(yīng)用中，特別是在數(shù)字電位器調(diào)節(jié)分辨率較低（32級(jí)）時(shí)，需要特別注意抽頭級(jí)間變化過程。如果抽頭不是在0V時(shí)發(fā)生變化，音頻系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生喀嗒聲和噼噗聲（圖6）。幸運(yùn)的是，新一代數(shù)字電位器具有所謂的過零檢測功能，能夠在抽頭跳變時(shí)降低音頻噪聲。內(nèi)部過零和超時(shí)檢測電路確保抽頭在檢測到過零（0V）信號(hào)或經(jīng)過50ms延時(shí)（具體取決于首先發(fā)生的條件）后跳變。

圖6. 在0V電平切換時(shí)，音頻喀嗒聲和噼噗聲的影響

除了上述數(shù)字電位器中的模擬電路外，每個(gè)數(shù)字電位器還包含一個(gè)數(shù)字接口。絕大多數(shù)電位器可通過傳統(tǒng)的I?C或SPI?編程，有些則提供便利的上/下調(diào)節(jié)接口。

性能改善

與機(jī)械電位器相比，數(shù)字電位器還具備另一優(yōu)勢。數(shù)字電位器的調(diào)節(jié)抽頭直接安裝在電路板的信號(hào)通路，利用電子調(diào)節(jié)避免了復(fù)雜、昂貴的機(jī)械調(diào)節(jié)裝置。數(shù)字電位器改善了噪聲抑制指標(biāo)，消除了機(jī)械電位器接口電纜的拾取噪聲。

傳統(tǒng)的數(shù)字電位器可直接替代機(jī)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(yīng)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(yīng)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(hào)范圍。一般選擇對數(shù)抽頭，抽頭級(jí)數(shù)增加時(shí)，衰減分貝數(shù)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(shù)字電位器的典型參數(shù)之一是溫度系數(shù)（TC），定義在額定的溫度范圍。絕大多數(shù)電位器需要定義兩個(gè)不同的TC，一個(gè)是絕對端至端TC，該參數(shù)代表了電阻隨溫度變化的絕對值，由下式計(jì)算：

ΔR = RUNCOMP × TC × ΔT/106

其中：

RUNCOMP是未經(jīng)補(bǔ)償?shù)碾娮柚担?/p>

TC為溫度系數(shù)，

ΔT為溫度變化量。

例如，一個(gè)阻值為20kΩ的數(shù)字電位器，如果絕對TC為35ppm，則在50°C溫度變化范圍內(nèi)將會(huì)產(chǎn)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(gè)32抽頭的電位器，每級(jí)對應(yīng)的電阻值（增量）可能在470Ω至780Ω。這一變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于絕對TC的偏差。

另一個(gè)典型TC時(shí)電阻比值TC，電位器通常用作分壓器，特別是在比例設(shè)計(jì)中，對于絕對電阻值變化（絕對溫度系數(shù)）的要求與比值變化相比并不嚴(yán)格。例如，5ppm的比例TC能夠在整個(gè)溫度范圍內(nèi)獲得非常穩(wěn)定的增益。

高分辨率應(yīng)用

數(shù)字電位器用于可編程增益放大器（PGA）和儀表放大器（IA）時(shí)，對精度的要求通常高于標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)電路（圖7）。這些應(yīng)用中一般要求在-40°C至+85°C范圍內(nèi)，分壓比誤差（精度）在0.025%以內(nèi)。

圖7. 利用運(yùn)算放大器和數(shù)字電位器（下方IC）構(gòu)成精密的可編程增益放大器

結(jié)論

數(shù)字電位器與機(jī)械電位器相比具有眾多優(yōu)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(yīng)，數(shù)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(shù)字電位器能夠在各種應(yīng)用中替代機(jī)械電位器，使設(shè)計(jì)人員和最終用戶受益。