Application Techniques of Digital Potentiometers

ZHOU Shenghai

(College of Phys. & Elec.Eng., Xinyang Normal University,
Xinyang 464000, China)

　　Key words: digital potentiometer; variable resistor; voltage divider

　　數字電位器也稱為數控電位器，是一種用數字信號控制其阻值改變的器件(集成電路)。
　　數字電位器與機械式電位器相比，具有可程控改變阻值、耐震動、噪聲小、壽命長、抗環境污染等重要優點，因而，已在自動檢測與控制、智能儀器儀表、消費類電子產品等許多重要領域得到成功應用。但是，數字電位器額定阻值誤差大、溫度系數大、通頻帶較窄、滑動端允許電流小(一般1～3mA)等，這在很大程度上限制了它的應用。本文從應用的角度出發，討論克服這些主要特點的方法。?

　　數字電位器的額定阻值誤差大，一般在(20～30)%，主要是由p型硅擴散層的表面電阻率及內部開關的導通電阻等工藝方面的差異引起的。數字電位器的溫度系數也大，如MCP4××××系列(Microchip公司)為800ppm/℃，這是半導體器件共有的缺點。但是，每個數字電位器中每一級電阻值的增量一致性很好；在雙數字電位器、三數字電位器和四數字電位器中，各個電位器的阻值是精密匹配的(因工藝相同)。據此，合理設汁應用電路和恰當選擇數字電位器的型號，可充分利用精密匹配的優點，大大減小額定阻值誤差和溫度系數造成的影響。

?

　　選擇雙數字電位器將可變增益差分放大器設計成圖1(c)的形式［2］(用單數字電位器作R2，R4為固定電阻)，則可始終保持集成運放的同相端和反相端對外的電阻相等，從而始終保持很高的CMRR，亦即抑制了溫漂誤差。
　　用數字電位器構成分壓器時可設計成圖2的形式(原理上可以不用R1和R2)。由集成運放構成的電壓跟隨器起隔離作用，R1和R2為高精度電阻。根據輸出電壓調節范圍的要求，恰當選擇R1和R2的阻值，以保證數字電位器的兩部分電阻RA和RB之比(RA/RB)有適當的值。這種設計有兩個優點：其一，高精度電阻與數字電位器串聯可削弱數字電位器溫度系數引起的誤差；其二，雖然數字電位器的R?A和R?B的阻值誤差和溫度系數都大，但兩者之比的誤差要小得多。因此，這種設計能得到較高精度的分壓。順便指出，少數數字電位器，如MAX5400／5401只有50ppm／℃，它們是低漂移應用的理想選擇。

　　數字電位器的通頻帶一般較窄，如X系列(Xicor公司)有些型號的-3dB帶寬只有32～36kHz。主要原因是數字電位器內存在雜散電容，頻率響應受RC時間常數的限制。
　　測試表明：通頻帶寬度主要與其額定阻值的大小和滑動端與地之間的濾波電容的容量有關。額定阻值越小，通頻帶越寬，表1［3］給出了部分X系列數字電位器-3dB帶寬的測試結果(滑動端位于中點)。

?

　　受CMOS工藝的限制，數字電位器的滑動端允許通過的電流較小，一般不超過3mA，電流過大會使器件過早失效。實踐中可在滑動端后接一電壓跟隨器(一般由集成運放構成；也有的數字電位器內含電壓跟隨器，如X9438)，這樣既可以擴大電流(通用集成運放的最大輸出電流為15mA左右)，又能隔離負載(后級電路)對數字電位器的影響。
　　為了得到更大的電流，本人用集成三端穩壓器設計了圖3所示的大電流線性分壓器［4］。LM358為單電源通用集成運放，LM317為正電壓可調集成三端穩壓器。LM358接成電壓跟隨器，輸出電壓跟隨分壓器的輸出電壓V0。電壓跟隨器的輸入電阻Ri≥400MΩ（Ri相當于分壓器的負載電阻RL），輸出電阻R0≤1Ω。滿足(RL/R)→∞的條件(R為數字電位器的額定阻值)，故從根本上消除了傳感器負載特性的非線性。
　　根據LM317的內部電路結構和工作原理可知，穩壓電路的輸出電壓可寫為
　　

?

　　因LM317具有優良的穩壓性能(電流調整率約為0.3%)，故允許負載回路電流I′0在零到LM317的最大輸出電流之間變化。常見的LM317的最大輸出電流在100mA至數安培不等(與LM317的具體型號有關)。
　　綜上，本設計既從根本上消除了分壓器負載特性的非線性，又很好地解決了分壓器負載能力弱的問題。
　　在圖3中，電容C1和C0分別為穩壓電路的輸入電容和輸出電容；二極管D1、D2均為LM317的保護二極管；電容C用于濾除電壓跟隨器輸出電壓中的紋波和干擾。
　　測試表明：該電路充分利用了集成三端穩壓器穩壓性能好、輸出電流大的優點，輸出50mA電流時的最大非線性誤差只有0.4％(用LM317T)和0.7％(用LM317L)，作為大電流線性分壓器具有良好的性能。?

　　數字電位器一般不能直接接負電源，但在構成分壓器時，有時需要輸出正、負電壓，此時可采用圖4所示的電路。雖然輸出V0不能得到VDD～VSS全范圍的分壓，但適當選取R1和R2的阻值，仍可得到一定范圍可正可負的分壓輸出。

　　不同型號的數字電位器的控制信號時序不盡相同，在實踐中必須嚴格遵守其時序規定，否則，可能工作異常。注意：控制信號波形的畸變會導致數字電位器工作異常。一種簡單有效的解決方法是在控制信號端與地之間接一小濾波電容，但該電容的容量選取要合適，過大會使脈沖信號的上升沿(下降沿)變緩，引起時序問題，過小抗干擾效果差，具體數值可以估算，也可以根據經驗選取。如用數字電位器AD8042，控制信號來自單片機8031的P1口，設其內部上拉電阻值為1kΩ，濾波的截止頻率ω0=1／RC≤50MHz，可得C≥0.02nF，又由于8031的P1腳發出的脈沖最小寬度為2μs(晶振為6MHz)，所以τ=RC≤2μs，即C≤2nF，C值應在0.02nF至2nF(晶振為6MHz)之間選取。實踐表明，在晶振為6MHz的8031系統中，選用1nF的濾波電容，效果很好。
　　此外，數字電位器的阻值變化規律以線性的為多見，但也有按對數規律變化的，如X9514、DS1661、DS1801等。用于音響系統的音量調節時應注意選擇對數規律的(以符合人耳的聽覺特性)，若選擇線性規律的，則要設法模擬阻值的對數變化，使應用復雜化。若數字電位器由機械按鍵開關控制，則應采取可靠的去抖動措施消除開關抖動的影響。由RS觸發器(可由門電路構成)和機械開關構成去抖動開關電路是一種簡單、有效的措施。RC去抖動的作用是很有限的，不宜用于這類場合。
　　在將數字電位器用作放大器的負反饋電阻時，必須防止使用過程中可能出現的瞬間失效。因為瞬間失效會使集成運放處于開環狀態，放大器增益很大，過大的輸出信號可能造成后級電路損壞或其他不良后果。對放大器的后級電路的輸入箝位是一種簡單、有效的措施。?

　　目前市場上數字電位器以Xicor、MAXIM、DALLAS、MicrochiP、AD等公司的產品為多見，種類和型號繁多，性能各有不同。在實踐中要注意以下三點：第一，對數字電位器的基本原理、主要性能和基本用法要有較全面的了解。這是選用數字電位器的基礎；第二，根據實際應用需要，兼顧應用效果和簡化應用設計兩方面，合理選擇數字電位器的種類與型號。目前價格已不再是選型時考慮的主要因素；第三，合理設計能有效克服數字電位器的缺點，擴大其應用范圍。所以，本文的討論對數字電位器的應用實踐具有指導作用。