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第45卷

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深入了解digiPOT规格与架构,提升交流性能

作者 Miguel Usach Merino

数字电位计(digiPOT)通常用于方便的调整传感器的交流或直流电压或电流输出、电源供电、或其他需要某种类型校准的器件,比如定时、频率、对比度、亮度、增益,以及失调调整。数字设置几乎可以避免机械电位计相关的所有问题,比如物理尺寸、机械磨损、游标调定、电阻漂移,以及对振动、温度和湿度敏感等问题,还可以消除因使用螺丝刀导致的布局不灵活问题。

digiPOT有两种使用模式,即电位计模式或可变电阻器模式。图1所示为电位计模式,此时有3个端子,信号通过A端和B端连接,W端(类似游标)则提供衰减的输出电压。当数字比率控制输入为全零时,游标通常与B端连接。

图1.电位计模式

游标硬连线至任一端时,电位计就变成了简单的可变电阻器, 如图2所示。可变电阻器模式时需要的外部引脚更少,因此尺寸更小。部分digiPOT只有可变电阻器模式。

图2.可变电阻器模式

digiPOT电阻端的电流或电压极性没有限制,但是交流信号的幅度不能超过电源供电轨(VDD 和 VSS)器件在可变电阻器模式,尤其是低电阻设置状态下工作时,最大电流或电流密度, 应加以限制.

典型应用
信号衰减是电位计模式的固有特性,因为该器件本质上属于分压器。输出信号定义为: VOUT = VIN × (RDAC/RPOT), 其中 RPOT是digiPOT的标称端对端电阻, RDAC 是通过数字方式选择的W端和输入信号参考引脚之间的电阻,参考引脚通常为B端,如图3所示.

图3.信号衰减器

信号放大需要有源器件,通常是反相或同相放大器。通过适当的增益公式,电位计模式或可变电阻器模式均可使用

图4显示的是同相放大器,此时digiPOT相当于电位计,可通过反馈调整增益。由于部分输出会反馈, RAW/(RWB + RAW),应等于输入,理想增益为:

图4.电位计模式中的同相放大器

该电路的增益与RAW, 成反比RAW接近零时会迅速上升,显示出双曲线传递函数特性。为了限制最大增益,可插入一个电阻与RAW(位于增益公式的分母内)串联

如果需要线性增益关系,可以采用可变电阻器模式以及固定外部电阻,如图5所示,增益现定义如下:

图5.可变电阻器模式中的同相放大器

将低电容端(最新器件中为W引脚)连接至运算放大器输入可获得最佳性能.

digiPOT用于信号放大的优势
图4和图5所示的电路具有高输入阻抗和低输出阻抗,可工作于单极性和双极性信号。digiPOT可用于游标操作,采用固定外部电阻在更小的范围内提供更高的分辨率,还可用于运算放大器电路,信号有无反转均可。此外,digiPOT的温度系数较低,电位计模式时通常为5 ppm/°C,可变电阻器模式时则为35 ppm/°C。

digiPOT用于信号放大的限制
处理交流信号时,digiPOT的性能受带宽和失真的限制。受寄生器件影响,带宽是指在小于3 dB衰减时能够通过digiPOT的最大频率。总谐波失真 (THD)(此处定义为后四个谐波的rms之和与输出基波值的比值)是信号通过器件时衰减的量度。这些规格涉及的性能限制由内部digiPOT架构决定。通过分析,我们可以更好地全面了解这些规格,减少其负面

内部架构已从传统的串联电阻阵列(如图6a所示)发展至分段式架构(如图6b所示)。主要的改进是减少了所需内部开关的数量。第一种情况采用串行拓扑结构,开关数量为N = 2n是分辨率的位数。 n = 10, 时,需要1024个开关

图6. a)传统架构,b)分段式架构

专有(专利)分段式架构采用级联连接,可以最大限度地减少开关总数。图6b的例子显示的是两段式架构,由两种类型的模块组成,即左侧的MSB和右侧的LSB。

左侧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开关粗调后接近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 = 2m + 1 + 2n – m,

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

分段式方案需要的开关数少于传统开关串:

两者相差的开关数 = 2n – (2m + 1 + 2n – m)

在该例中,节省的数量为

1024 – 96 = 928!

两种架构都必须选择不同电阻值的开关,充分考虑到模拟开关中的交流误差源。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。这种基本双向开关可以保持相当恒定的电阻(RON) 信号可达完整的供电轨.

带宽
图7显示的是影响CMOS开关交流性能的寄生器件.

图7.CMOS开关模式.

CDS = 漏极-源级电容; CD = 漏极-栅级 + 漏极-体电容; CS = 源级-栅级 + 源级-体电容.

传递关系如以下公式定义,其中包含的假设为:

  • 源阻抗为 0 Ω
  • 无外部负载影响
  • 无来自CDS的影响
  • RLSB  << RMSB

其中:

RDAC是设定电阻

RPOT是端对端电阻

CDLSB是LSB段的总漏极-栅级 + 漏极-体电容

CSLSB是LSB段的总源级-栅级 + 源级-体电容

CDMSB是MSB开关的漏极-栅级 + 漏极-体电容

CSMSB是MSB开关的源级-栅级 + 源级-体电容

moff是信号MSB路径的断开开关数量

mon是信号MSB路径的接通开关数量

传递公式受各种因素影响,与代码存在一定关联,因此我们采用以下额外假设来简化公式

CDMSB + CSMSB = CDSMSB

CDLSB + CSLSB  >> CDSMSB

(CDLSB + CSLSB) = CW (详见数据手册)

The CDS对传递公式没有影响,但由于其出现的频率通常比极点高的多RC 低通滤波器是主要的响应。理想的近似简化公式为:

带宽(BW)定义为:

其中CL是负载电容.

The BW与代码有关,最差的情况是代码在半量程时,AD5292的数字值为29= 512,AD5291的数字值为2= 128 (见目录). 图8显示的是低通滤波效应,它受代码影响,在不同标称电阻与负载电容值时会发生变化.

图8.各种电阻值的最大带宽与负载电容

PC板的寄生走线电容也应加以考虑,否则最大带宽会低于预期值,走线电容可以采用以下公式简单计算:

其中

εR是板材的介电常数

A是走线区域(cm2)

d是层间距(cm)

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

失真
THD用于量化器件作为衰减器的非线性。该非线性由内部开关及其随电压变化的导通电阻 RON而产生。图9所示为放大的幅度失真示例.

图9.失真

与单个内部无源电阻相比,开关的RON很小,其在信号范围内的变化则更小。图10显示的是典型的导通电阻特性。

图10.CMOS电阻

电阻曲线取决于电源电压轨,电源电压最大时,内部开关的RON 变化最小。电源电压降低时,RON 变化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 RON

图11.开关电阻变化与电源电压的关系

HD取决于各种因素,因此很难量化,若假设RON,的变化为10%,则以下公式可用于近似计算:

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

权衡
RPOT增加后,失真和带宽都会随之降低,所以改进一项指标的同时必定会牺牲另一项。因此,电路设计人员必须在两者之间做出适当的权衡。这也关系到器件的设计水平,因为IC设计人员必须平衡设计公式中的各个参数:

其中

COX 是氧化电容

μ 是电子(NMOS)或空穴(PMOS)的迁移常数

W是宽度

L是长度

偏置
从实用的角度来看,我们必须充分发挥各项特性。digiPOT通过容性耦合衰减交流信号时,若信号偏置达到电源的中值,则失真最小。这意味着开关工作在电阻特性线性最强的部分.

一种方法是采用双电源供电,只需将电位计接地至电源共模端,信号便会产生正负向摆动。如果需要单电源供电,或者某些digiPOT不支持双电源时,可以采用另一种方法,即添加 VDD/2 的失调电压至交流信号。该失调电压必须添加到两个电阻端,如图12所示。

图12.单电源供电交流信号调理

若需要使用信号放大器,双电源供电的反相放大器优于同相放大器(如图13所示),原因有以下两项:

  • THD性能更佳,因为反相引脚的虚地可将开关电阻集中在电压范围中间。
  • 因为反相引脚位于虚地,所以几乎取消了游标电容CDLSB,令带宽增幅较小(必须注意电路稳定性).

图13.采用反相放大器digiPOT可调整放大

附录——关于AD5291/AD5292

256/1024位数字电位计精度为1%,可编程20次
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可供选择,误差优于1%,温度系数在可变电阻器模式下时为35 ppm/°C,分压器 模式下时为5 ppm/°C(比率)。这些器件可实现与机械电位计相同的电子调整功能,但尺寸更小且更可靠。其游标位置可通过SPI兼容接口调整。在熔断熔丝,将游标位置固定(此过程类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”过程最多可以重复20次。AD5291/AD5292采用9 V至33 V单电源或±9 V至±16.5 V双电源,功耗8 μW。采用14引脚TSSOP封装,工作温度范围为–40°C至+105°C(返回正文)

图14.AD5291/AD5292功能框图

作者简介
Miguel Usach Merino [miguel.usach@analog.com] 获瓦伦西亚大学电子工程学位。2008年加入ADI公司,任爱尔兰利默里克精密DAC部的应用工程师。
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