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數字電位器可廣泛用于控制或調整電路參數。由于數字電位器本身帶寬的限制．只能用于直流或低頻應用。其典型一3 dB帶寬在100 kHz至幾MHz內，具體數值與型號有關。然而，通過采用下面介紹的簡單方法，可以將電位器的信號帶寬從10倍提高到100倍，可以獲得4 MHz的O．1 dB帶寬以及25 MHz以上的一3 dB帶寬。這樣可使數字電位器用于視頻或其他高速應用領域。 2 有限的調整范圍 在許多應用中，數字電位器用于信號微調，而無需從0％到100％的滿量程調整，例如：一次性工廠校準等。在這些應用中，數字電位器一般提供10％以下的調整范圍。正是借助這一有限的調整范圍來提高數字電位器的帶寬。 3 典型應用電路 圖1為電位器典型的電路配置，圖中，數字電位器用于改變信號的衰減量。R2為數字電位器，Cwiper為寄生電容，該電容是所有數字電位器固有的，它限制電路帶寬。當電位器在0至滿量程之間擺動時，R1和R3用于限制數字電位器引起的信號衰減。 需要說明的是：由于該電路采用運算放大器，可用于信號放大和衰減。因此，以下介紹的提高帶寬的方法與所選電路拓撲無關。為計算電路的傳輸函數(VOUT/VIN)，可使用不同模式的電位器，見圖2。圖中，R2被分為R2top和R2bottom，其中，R2top是電位器觸點以上的電阻，R2bottom是電位器觸點以下的電阻。假設使用的電位器具有10 kΩ的端到端電阻(忽略觸點電阻的影響)，R2top和R2bottom是相對于數字編碼的理想傳輸函數，如圖3所示。傳輸函數的兩個端點和中點：當電位器編碼為0時，R2top=10 kΩ，R2bpttom=0kΩ；而當電位器編碼處于中間位置時，則R2top=R2bottom=5 kΩ；當電位器編碼處于滿標位置時，R2top=0 kΩ，R2bottom=10 kΩ。 由圖2得出VOUT/VIN的直流傳輸函數：VOUT/VIN=(R3+R2bottom)/(R1+R2+R3) (1) 式中：R2=R2top+R2bottom 假設R2=10 kΩ(常用數字電位器電阻值)，如果希望把輸入信號衰減到任意電平，例如，輸入值的70％±5％(輸入值的65％～75％)。然后，運用相關運算，調整范圍為65％"75％，標稱值f中間位置)為70％：R1=24．9 kΩ且R3=64．9 kΩ。 4 典型應用電路的帶寬 利用式(1)中的R1和R3電阻值，假設Cwiper=10pF，獲得表l所列的帶寬。實際觸點電容在3～80 pF內，并與觸點電阻、步長數、采用的IC工藝及電位器體系結構等有關。3～5 V供電、32至256步長的10 kΩ電位器的典型電容值為3～10 DF。 *注意，帶寬與觸點電容成反比。采用3 pF Cwiper，帶寬頻率將提高3.3倍對于視頻等應用，這些帶寬還是過低。 需要注意的是，這里分析基于的假設是：觸點電容與電位器電阻并聯，由此限制電位器的帶寬。該方法是最直接的電位器使用方式，如果采用更復雜的電位器配置，可能會進一步限制帶寬。因此，討論提高帶寬非常有必要，即使實際帶寬未達到預期目的。 5 提高電路帶寬 提高電路帶寬最明顯方法是選擇較低阻值的數字電位器，例如，1 kΩ電位器，按比例調整R1和R2(1 kΩ電位器與10kΩ電位器相比，阻值減小10倍)。然而，低阻值數字電位器(1 kΩ)一般占用較大的裸片面積，意味著較高成本和較大封裝尺寸，出于這一原因，1 kΩ電位器的實際應用非常有限。如果某一電位器能夠滿足設計要求，10kΩ電位器的帶寬會隨著電阻的減小而線性提高，例如，提高10倍(假設雜散觸點電容無變化)；或使用1 kQ電位器，設置Rl=2.49 kΩ，R3=6．49kΩ，觸點電容為10 pF，電位器設在中間位置，可獲得1．15MHz的—0.1 dB帶寬，及7．6MHz的-3dB帶寬。這比表l中的帶寬提高10倍。 6 使用10 kΩ電位器，改變電路拓撲 與1kΩ電位器相比，選擇5kΩ和10 kΩ電位器可能是更好的解決方案，可以獲得更小封裝的電位器，從中選擇易失或非易失存儲器，也有更多的數字接口(up／down、I2C、SPITM)以及調整步長(32、64、128、256等)可供選擇。出于這一原因，設計實例選用10 kΩ端到端電阻的電位器。假設成本、體積、接口以及電位器調整步長等因素的限制，需使用10 kΩ端到端電阻電位器，這種情況下提高典型應用電路的帶寬的方法是去掉電阻R1和R3，使用步長數多于該電路要求的電位器。例如，32步長電位器獲得10％的調整范圍，按照上述介紹，可以選擇替換這一步長的電位器，而使用256步長電位器，去掉R4和R6，限制電位器的調整范圍在達到要求衰減的編碼65％～75％內。所使用的編碼是從0．65×256 (使用166)到編碼0．75×256(192)。該實例使用一個256步長的電位器；由于有限的編碼將可用步長數限制在26，即10％的調整范圍，僅用了256步長的10％。 與32步長電位器相比，該方法的缺點是256步長電位器成本較高，故可選用封裝尺寸較大的電位器。假設Cwiper為30 pF，VOUT/VIN=0．70，處于調整范圍的中點，圖4電路中有384 kHz的-0．1 dB帶寬，879 kHz的-0．5 dB帶寬，2．52 MHz的一3dB帶寬。與表1相比，其帶寬提高3倍。另一種成本更低、性能更好的方案是在圖圖5最初電路使用兩只并聯電阻(R4和l電路中加入分立電 R5)，與圖l和圖2相比帶寬增大100倍阻，如圖5所示。 7 使用并聯電阻降低電路阻抗 電路中增加并聯電阻(注意，使用圖2中引入的數字電位器模型)。降低電路阻抗(提高帶寬)，通過設置電路增益，限制由數字電位器在0編碼到滿標編碼之間擺動時導致的衰減，可以達到雙重目的。 設置電位器電路增益，使用并聯器件限制其調整范圍(R4和R5，而不是簡單串聯R1、R2和R3)，其電路帶寬優于圖1帶寬。還需要注意，電阻R1、R2和R3還會影響電路增益，但由于其串聯電阻要比R4和R5大得多，這種影響非常小�？梢酝ㄟ^簡單示例來說明R4和R5對圖5電路的影響。在圖6(a)中，電路上部電阻采用了圖中方程給出的電阻組合值。注意，由于R4是與R1和R2top并聯，它降低了電路阻抗。 在圖6(b)中，電路下部電阻采用了圖中方程給出的電阻組合值。注意，由于R5是與R3和R2bottom并聯，降低了電路阻抗。正是較低的電路阻抗使得帶寬大大提高，達到設計目標的要求。圖7結合了圖6中的簡化示例，給出了VOUT/VIN傳輸函數。從該圖中可以清楚看到，通過降低電路阻抗(R2top小于R1+R2top，R2bottom小于R2bottom+R3)，提高了電路帶寬。 8 實際值 實際設置R1、R3、R4和R5的阻值，可以對比圖l電路的帶寬，從而確定R4和R5對電路性能的影響。使用圖6(b)中的方程，得出R1、R3、R4和R5的阻值，然后計算最終帶寬。使用表格，可以找到滿足圖6(b)中方程的元件值：R1=3．48 kΩ、R2=10 kΩ、R3=4．53 kΩ、R4=l kΩ、R5=2．8 kΩ。采用這些元件值得出了表2所列的帶寬。注意，這些結果要比圖1電路提高100倍。 *注意，帶寬與觸點電容成反比。例如，采用3 pF Cwiper，帶寬提高3.3倍。 9 結語 介紹了在窄帶數字電位器中簡單加入并聯電阻以提高系統帶寬的方法，顯著提高系統性能(帶寬可提高100倍)。設計前提是假設實際應用允許降低電位器的控制范圍，以提高帶寬。帶寬提高后，數字電位器可用于以前無法涉及的高頻領域，例如視頻信號鏈路控制等。 |
