當前位置: 主頁 > 技術&應用 >
 

數位電位器的基礎知識及使用方法

本文作者:Bill Schweber       點擊: 2022-08-18 13:27
前言:
作者:Bill Schweber
 
      設計人員已經在過去數十年間將機械式電位器應用在諸多應用,涵蓋電路微調到音量控制等。然而,機械式電位器也有其限制:其滑片會磨損,也容易受到濕氣入侵,也有可能意外離開其預設位置。此外,在世界的數位浪潮下,設計人員需要替代方案來達到更精密控制與高可靠度的要求,也要保有靈活性,以便透過韌體遠端調整數值。
 
數位電位器 IC (亦簡稱 Digipot),可將數位電域及類比電阻部分橋接在一起,進而解決相關問題。數位電位器是全電子的微控制器相容元件,能透過處理器與軟體來控制、設定並改變電阻值或分壓器比值。
 
可提供機械式裝置無法達成的特點與功能,而且沒有活動滑片,因此更加堅固可靠。無法蓄意微調或不慎調整,因此能避免效能莫名變動的問題。適合的應用包括 LED 熱穩定、LED 調光、閉迴路增益控制、音量調整、校準以及惠司同電橋的感測器微調、電流來源的控制、可編程類比濾波器的微調等等。
 
本文將簡單介紹電位器與其邁向數位電位器的演進歷程。接著會使用來自Analog Devices(ADI)、Maxim Integrated(現已併入ADI)、Microchip 與Texas Instruments(TI)的元件,說明數位電位器的操作、基本與進階配置,以及如何達到電路調整的要求。也會說明如何使用其功能、特點、能力與選項,將電路簡化、讓電路處理器達到相容,以及減少甚至完全去除對於體積龐大又較不可靠機械式電位器的需求。
 
從電位器基礎知識開始
電位器從電力與電子產業最早期開始,就一直是必備的被動式電路元件。此三端子裝置具有可取用的電阻元件,可透過轉動軸上可由使用者設定的滑片來提供分壓器功能。可用於無數的類比與混合視訊號電路,滿足多種應用需求 (圖 1)。 
圖 1:標準電位器屬於使用者可設定的可變電阻,並具有轉動軸。(圖片來源:etechnog.com)
 
在任一端觸點以及可調整滑片之間電路上的電阻值,會隨著滑片轉動並沿著電阻式元件滑動,在 0 Ω (標稱) 至電線或薄膜電阻的完整額定值之間變動。絕大多數電位器的轉動範圍約為 270 至 300 度,典型機械解析度和重複性大約為滿量程值的 0.5% 與 1% (分別介於 1/200 至 1/100)。
 
請注意,電位器與新型類似產品變阻器之間,有些微但獨特且重要的差異。電位器是三端子裝置,可當作分壓器使用 (圖 2 左側),但變阻器是雙端子可調電阻,可控制電流流動。電位器通常會接線構成變阻器,有三種相似的方法可擇一採用,可將末端端子放著不連接,或直接連到滑片 (圖 2 右側)。
 
圖 2:電位器的末端端子 A 與 B 及滑片 W (左側),可輕鬆當作變阻器使用,有三種連接作法可擇一採用。(圖片來源:Analog Devices)

數位電位器:IC 型態的電位器
全電子的數位電位器可模擬機電式電位器的功能,只是採用 IC 型式且無活動零件。可接受多種格式之一的數位代碼,然後建立對應的電阻值。也因如此,有時會稱為電阻式類比數位轉換器 (RDAC)。
 
在傳統電位器中,可用手 (有時甚至是小型馬達) 設定滑片位置,進而設定分壓器比。但若是數位電位器,則由電腦控制元件透過數位介面連接到數位電位器 IC,然後建立與滑片位置同等的值。
 
圖 3:數位電位器 IC 可取代電位器滑片的手動設定,以數位方式設定電子開關,並以此模擬機械式滑片。(圖片來源:Circuits101,經修改)
 
數位電位器採用標準 CMOS IC 技術,無需特殊製程或處理。表面黏著數位電位器 IC 的尺寸通常是 3 x 3 mm 或更小,遠比旋鈕調整型電位器甚至小型螺絲起子調整式微調電位器 (trimpot) 更小,且在電路板生產上的處理上也跟其他任何表面黏著技術 (SMT) IC 一樣。
 
原則上,數位電位器的內部拓撲含有簡易的串聯電阻串,並在滑片與這些電阻之間搭配可數位定址的電子開關。透過數位命令,適當的開關就會開啟,並讓其他關閉,進而達到所需的滑片位置。但在實務上,這個拓撲有一些缺點,包括需要大量的電阻和開關,以及較大的晶粒尺寸。
 
為了減少這些疑慮,廠商想出聰明的替代性電阻與開關排列方式,可減少數量同時維持相同的效果。這些拓撲各會對數位電位器的分級與第二層特性造成些微差異,但絕大多數都是使用者可以通曉得知的。但本文也要再次提醒,我們會使用電位器一詞來代表機電式電位器,並使用數位電位器表示全電子型電位器。
 
數位電位器提供多種規格與特點
與任何元件一樣,挑選數位電位器時也要考量頂層參數與第二層參數。首要考量的是標稱電阻值、解析度以及數位介面的類型,其他考量則包括容差、誤差來源、電壓範圍、頻寬與失真。
• 需要的電阻值,通常稱為端對端電阻值,是由電路的設計考量來決定。廠商會以 1/2/5 的順序提供 5 kΩ 至 100 kΩ 的電阻,還有其他一些中間值。此外,也有延伸範圍的款式,最低至 1 kΩ,最高則達 1 MΩ。
• 解析度會決定數位電位器可提供多少離散步進或抽頭設定,從 32 至 1024 步進,以便設計人員應對應用的需求。請記住,即便是中階的 256 步進 (8 位元) 數位電位器,解析度也比電位器還高。
• 微控制器與數位電位器之間的數位介面提供標準序列 SPI 與 I2C 格式,並具有定址引腳,以便多個裝置透過單一匯流排進行連接。微控制器採用簡易型數據編碼機制來指出所需的電阻設定。最精簡的數位電位器,例如 Texas Instruments 的TPL0501,就是採用 SPI 介面的 256 抽頭數位電位器,非常適合講究功率耗散與尺寸的應用 (圖 4)。提供節省空間的 8 引腳 SOT-23 封裝 (1.50 mm x 1.50 mm) 以及 8 引腳 UQFN 封裝 (1.63 mm x 2.90 mm)。
 
圖 4:基本的數位電位器,如 Texas Instruments 的 TPL0501 就採用 SPI 介面,是一款有效的元件,適合不需要額外功能且空間與功率受限的應用。(圖片來源:Texas Instruments)
 
      有個應用範例是用在臨床級穿戴式醫療裝置,例如血氧計與感測器貼片,就有搭配 TI 的OPA320運算放大器使用 (圖 5)。此組合可產生分壓器,能控制放大器的增益,提供數位類比轉換器 (DAC) 輸出。有個明顯的問題在於,為何不要單純使用標準的完整 DAC 就好?原因是這個臨床應用需要具備精密性、軌對軌類比輸出、高共模拒斥比 (CMRR) 與低雜訊,而 OPA320 可分別在 10 kHz 下達到指定的 114 dB 與 7 nV/√Hz。
 
圖 5:數位電位器可搭配精密型運算放大器,如 TI 的 OPA320 來打造具有優異輸出運算放大器效能的 DAC。(圖片來源:Texas Instruments)
 
此外,也有多種數位電位器介面選擇,可簡化在應用中的使用,例如使用者操控的音量控制。還有另外兩種選擇,分別是按鈕與上/下 (U/D) 介面。使用按鈕介面時,使用者可按下兩個中的一個按鈕:一個會增加電阻量,另一個則會降低。請注意,此作法並未牽涉到處理器 (圖 6)。
 
圖 6:按鈕介面可在兩個使用者操控按鈕間達到免處理器的連接,可直接增加/降低數位電位器的設定值。(圖片來源:Analog Devices)
 
       上/下介面能以最低軟體開銷的方式實作,並可透過簡易的旋轉編碼器或將按鈕連接到處理器即可觸發,也可使用數位電位器進行實作,例如 Microchip Technology 的MCP4011,此基本的 64 步進 (6 位元) 裝置可提供 2.1 kΩ、5 kΩ、10 kΩ 與 50 kΩ 的電阻值 (圖 7)。 
 
圖 7:以 Microchip 的 MCP4011 數位電位器為例,就具有邊緣驅動的上/下控制線路與晶片選擇單元,僅需要最少的 I/O 及來自主機微控制器的軟體資源。(圖片來源:Microchip Technology,經過修改)
 
採用單一趨高或趨低邊緣觸動器,搭配晶片選擇單元,可增加或降低電阻增量。如此即可簡易實作旋鈕,在外觀及感受上都向傳統的音量控制,不會有電位器的相關問題,卻又具有數位電位器的優勢。
 
圖 8:數位電位器的上/下介面可透過低解析度編碼器的觸發器,支援邊緣觸發的電阻值增量與減量。(圖片來源:Microchip Technology)
 
數位電位器的容差可能會是個問題,因為通常介於標稱值的 ±10 至 ±20% 之間,而這在許多比例式或閉迴路情況下是可以接受的。然而,若數位電位器在開迴路應用中搭配外部離散電阻或感測器,容差就會成為關鍵的參數。有鑑於此,有一些標準數位電位器就具有更嚴密的容差,最低僅有 ±1%。當然,如同所有 IC 一樣,電阻的溫度係數及溫度相關的漂移也是考量因素之一。廠商會在規格表中指明此數值,以便設計人員透過電路模型 (如 Spice) 評估影響。也有提供其他嚴密容差選項,以下會加以探討。
 
雖然在校正或偏壓點設定等靜態應用中並非考量因素,但頻寬與失真在音訊及相關應用中卻會產生問題。特定代碼的電阻路徑搭配開關寄生、引腳與板的電容量,會產生電阻電容 (RC) 低通濾波器。較低的端對端電阻值會產生較高的頻寬,針對 1 kΩ 數位電容器頻寬可高達 5 MHz,對於 1 MΩ 的款式則低至 5 kHz。
 
相對之下,總諧波失真 (THD) 則是因為在施加不同訊號位準下,電阻的非線性度而產生。具有較高端對端電阻的數位電位器會降低內部開關電阻值對總電阻值的效應,進而導致較低的 THD。因此,頻寬與 THD 之間的關係,是設計人員選擇標稱數位電容器值時必須優先取捨及衡量的因素。若是 20 kΩ 數位電容器,典型值從 -93 dB 起跳,若是 100 kΩ 款式,則低至 -105 dB。

雙通道、四通道、線性與對數型數位電位器款式之間的比較
除了「免手動」控制特性之外,數位電位器更具有額外的簡便性,可簡化導入設計流程,並且比電位器的成本減少許多。還有其他能力:
• 雙通道數位電位器在需要個別調整兩個電阻值時非常實用,但當必須設定為相同數值時更為實用。雖然可使用兩個分別的數位電位器 IC,但雙通道元件即便有容差與漂移的問題,優勢在於可追蹤電阻值;也有四通道元件可供挑選。
• 線性與對數 (log) 設定:微調及校準應用通常要在數位代碼與結果電阻之間達到線性關係,許多音訊應用則可享受對數關係的優勢,因此更適合音訊應用所需的分貝尺度。
 
為了滿足此需求,設計人員可使用對數數位電位器,如 Maxim Integrated Products 的DS1881E-050+。此雙通道元件能以單一 5 V 電源工作,端對端電阻值為 45 kΩ,並具有 I2C 介面搭配定址引腳,可在匯流排上連接最多八個元件。雙通道的各通道電阻值皆可獨立設定,並具有多個使用者可選的配置設定;基本配置具有 63 步進,每步進 1 dB 衰減,從 0 dB 至 -62 dB,還有靜音選項。
 
圖 9:Maxim 的 DS1881E-050+ 雙通道數位電位器專為音訊訊號路徑而設計,可提供每步進 1 dB 的增益設定,範圍橫跨 63 dB。(圖片來源: Maxim Integrated Products)
 
DS1881E-050+ 的設計可將串音降至最低,雙通道可提供 0.5 dB 通道對通道匹配,能將通道之間的任何音量差異降至最低。此元件亦實作零交越電阻切換以免發出喀嚓聲,並且含有非揮發性記憶體;此功能的一般用途將在下面說明。
 
數位電位器可處理的最大電壓也是考量因素之一。低電壓的數位電位器可搭配最低 +2.5 V 的電軌一起操作 (或使用雙極電源時 ±2.5 V),更高電壓的款式,例如 Microchip的MCP41HV31就是 50 kΩ、128 抽頭、SPI 介面裝置,則可搭配高達 36 V (±18 V) 的電軌操作。

非揮發記憶體可協助進行電源重置
基本的數位電位器具有許多優點,但相較於電位器則有個無可避免的缺點:在電力中斷後設定值就會消失,其通電重置 (POR) 位置是由設計決定,通常是在中間範圍。然而對許多應用而言,此 POR 設定是無法接受的。試想校準情況:一旦建立後,除非刻意調整,否則應維持不變,即便是線路電力拔除或電池替換也一樣;此外,在許多應用中,「正確的」設定值就是電力中斷時最後一次使用的值。
 
因此,過去會堅持使用電位器的原因就在於電源重置時設定值不會消失,然而,數位電位器已經克服此缺點了。在原先常見的設計實務上,會在操作期間讓系統處理器回讀數位電位器的設定值,然後在通電時重新載入該設定值。然而,這會導致通電時的脈衝干擾,對於講究系統完整性與效能的情況來說往往是無法接受的。
 
為了因應此疑慮,廠商會在數位電位器上添加 EEPROM 架構非揮發記憶體 (NVM) 技術。有了 NVM,數位電位器會在電源供應器關閉時保留上一次編程的滑片位置,而一次性編程 (OTP) 款式則可讓設計人員將滑片的通電重置 (POR) 位置設定在預定值。
 
NVM 也可促成其他增強功能。舉例而言,Analog Devices 的AD5141BCPZ10會將電阻容許誤差存在其 EEPROM 記憶體中 (圖 10)。此裝置屬於單通道、128/256 位置、可重新寫入的非揮發性數位電位器,可支援 I2C 與 SPI 介面。透過儲存的容差值,設計人員即可計算實際的端對端電阻,準確度可達 0.01%,在依此指定數位電位器的 「滑片上方」與「滑片下方」區塊比率。此準確度相較於沒有 NVM 但準確度更高 (1%) 的數位電位器來說,優異程度達 100 倍。
 
圖 10:Analog Devices 的 AD5141BCPZ10 數位電位器結合了可重新寫入的非揮發性記憶體 (EEPROM),可用來儲存所需的通電重置設定,以及其專用電阻陣列的校準因素。(圖片來源:Analog Devices)
 
此線性增益設定模式可透過 RAW與 RWB串聯電阻,針對數位電位器端子之間的電阻進行獨立編程,因此可達到更準確的電阻匹配效果 (圖 11)。此準確度對於反向放大器拓撲等來說往往是必要的條件,其增益可由兩個電阻的比率來決定。
 
圖 11:數位電位器中的 NVM 亦可用來儲存已校準的滑片上與滑片下電阻,以便利用精密電阻比率的電路來設定放大器增益。 (圖片來源:Analog Devices)

需注意數位電位器的特性
雖然數位電位器廣泛用來取代電位器,因為此傳統裝置較不受青睞或不實用,但設計人員還是有些特性要加以考量。例如,電位器的金屬滑片含有電阻元件及趨近零的接觸電阻,而且經常有可忽略的溫度係數。但若是數位電位器,滑片則是 CMOS 元件,具有適度但仍有作用的電阻值,介於數十 Ω 至 1 kΩ。若 1 mA 的電流通過 1 kΩ 的滑片,會在滑片上產生 1 V 壓降,就會對輸出訊號的動態範圍產生限制。
 
此外,此滑片的電阻屬於施加電壓與溫度的函數,因為會帶來非線性度,進而在訊號路徑中造成 AC 訊號失真。滑片的典型溫度係數約為 300 ppm/°C,這可能會有明顯作用,因此應在高精密設計的誤差預算中將此納入考量。有些數位電位器款式有提供較低的係數。
 
結論
數位電位器是數位設定的 IC,可在多種系統架構與電路設計中取代傳統的機電式電位器。不僅可縮減產品尺寸以及意外移動導致誤差的機率,更可添加與處理器及軟體的相容性,此外還提供更高的準確度和解析度 (若必要),以及其他實用特點。
 
如本文所述,數位電位器提供多種標稱電阻值、步進大小以及準確度,更添加非揮發性記憶體,可擴充其能力並突破在眾多應用中的使用障礙。
 
 
 

電子郵件:look@compotechasia.com

聯繫電話:886-2-27201789       分機請撥:11