【導讀】幾十年來(lái)，機械式電位器一直用在從電路微調到音量控制的各種應用中。然而，機械式電位器有其局限性：滑臂可能會(huì )磨損，容易受潮，也有可能被意外移出設定位置。此外，隨著(zhù)全球數字化轉型，設計者需要一種替代方案，以滿(mǎn)足更精確的控制和高可靠性要求，以及能夠靈活地通過(guò)固件進(jìn)行遠程調節。
數字式電位器 IC 通常被稱(chēng)為數字電位器，是連通數字和模擬電阻世界的橋梁，讓上述問(wèn)題迎刃而解。作為一種兼容微控制器的全電子器件，數字電位器可通過(guò)處理器和軟件來(lái)控制、設置和改變其電阻值或分壓比。
數字電位器擁有機械式電位器無(wú)法比擬的特點(diǎn)和功能，并且數字電位器不需要滑臂，因此更加堅固可靠。數字電位器可防止被故意或意外調節，從而避免了莫名其妙的性能變化。這種器件的應用不計其數，包括 LED 熱穩定、LED 調光、閉環(huán)增益控制、音量調節、校準、用于傳感器的惠斯通電橋微調、控制電流源和調節可編程模擬濾波器等。
本文將簡(jiǎn)要介紹電位器及其向數字電位器的演變。然后，以 Analog Devices、Maxim Integrated、Microchip Technology 和 Texas Instruments 的器件為例，介紹數字電位器的操作、基本和高級配置，以及如何解決電路調節問(wèn)題。本文將展示這些器件的功能、特性、性能和選項如何用于簡(jiǎn)化電路，使電路與處理器兼容并減少甚至消除對笨重、不太可靠的機械電位器的需求。
01 電位器的基礎知識
電位器在電力和電子學(xué)的最早期就已經(jīng)是一個(gè)重要的無(wú)源電路組件。電位器是一種三端子設備，帶有一個(gè)可訪(fǎng)問(wèn)的電阻元件，可通過(guò)旋轉軸上用戶(hù)可設置的滑動(dòng)臂實(shí)現分壓功能。電位器已用于無(wú)數的模擬和混合信號電路，能滿(mǎn)足各種各樣的應用要求（圖 1）。
圖 1：標準電位器是一個(gè)可由用戶(hù)設置的帶轉軸可變電阻器。（圖片來(lái)源：etechnog.com）
當滑臂沿著(zhù)電阻元件旋轉和滑動(dòng)時(shí)，任何一端的觸頭和可調滑臂之間的電路電阻從零歐姆（標稱(chēng)）到導線(xiàn)或薄膜電阻的全額定值之間變化。大多數電位器的旋轉范圍約為 270 至 300 度，典型的機械分辨率和重復性約為滿(mǎn)量程值的 0.5% 和 1%（分別為 1/200和 1/100 之間）。
請注意，電位器和其最初的同類(lèi)器件——變阻器之間有一個(gè)輕微但明顯的重要區別。電位器是一個(gè)作為分壓器的三端設備（圖 2，左），而變阻器是一個(gè)兩端可調的電阻，用于控制電流流動(dòng)。連接電位器通常是為了創(chuàng )建一個(gè)變阻器，有三種類(lèi)似的連接方式，即留出其中的一個(gè)端子，不做任何調節，或者直接將其與滑臂連接（圖 2，右）。
圖 2：可以很方便地用三種連接方法中的任何一種來(lái)連接帶有端子 A 和 B 以及滑臂 W 的電位器（左），將其用作變阻器（右）。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
02 數字電位器：IC 形式的電位器
全電子數字電位器仿真了機電式電位器的功能，但這是通過(guò)一個(gè)沒(méi)有活動(dòng)部件的集成電路來(lái)實(shí)現的。數字電位器可接受多種格式的數字代碼，并確立一個(gè)相應的電阻值。因此，這種器件有時(shí)被稱(chēng)為電阻式數模轉換器 (RDAC)。
在傳統電位器中，可以用手（有時(shí)甚至是小型電機）來(lái)設定滑臂位置，以此設置分壓比。然而，在數字電位器中，計算機控制器通過(guò)數字接口與數字電位器 IC 連接，并建立一個(gè)與滑臂位置等效的數值（圖 3）。
圖 3：數字電位器IC 用一個(gè)以數字方式設置的電子開(kāi)關(guān)來(lái)模擬機械式滑臂，從而取代了手動(dòng)設置式電位器。（圖片來(lái)源：Circuits101，修改版)
數字電位器使用標準的 CMOS 集成電路技術(shù)，不需要特殊的制造或處理工藝。表面貼裝數字電位器 IC 的尺寸通常為 3×3 mm 或更小，遠小于旋鈕式電位器或甚至是需要用小型螺絲刀調節的微調電位器；在 PC 板生產(chǎn)方面，這種 IC 的處理方式與任何其他表面貼裝技術(shù) (SMT) 集成電路相同。
數字電位器的內部拓撲結構大體上由一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)電阻串組成，并且在滑臂和這些電阻之間有可數字尋址電子開(kāi)關(guān)。發(fā)出數字指令時(shí)相應的開(kāi)關(guān)閉合，而其他開(kāi)關(guān)則斷開(kāi)，從而確立所需的滑臂位置。這種拓撲結構實(shí)際上有一些不足，包括需要大量的電阻、開(kāi)關(guān)以及較大的芯片尺寸。
為了最大限度地減少這些問(wèn)題，供應商已經(jīng)設計了各種巧妙的電阻器和開(kāi)關(guān)布局，在確保具有相同效果的情況下減少電阻和開(kāi)關(guān)的數量。以上每一種拓撲結構都會(huì )導致在數字電位器如何確定范圍及其二季特性方面的小差異，但對用戶(hù)來(lái)說(shuō)絕大部分差異都是透明的。在下文中，我們將用“電位器”表示機電式電位器，用“數字電位器”表示全電子式電位器。
03 數字電位器具有一系列規格、功能
與任何組件一樣，在選擇數字電位器時(shí)也有主要參數和次要參數需要考慮。排名靠前的問(wèn)題是標稱(chēng)電阻值、分辨率和數字接口的類(lèi)型，同時(shí)需要考慮的因素包括容差和誤差源、電壓范圍、帶寬和失真。
● 所需的電阻值，通常稱(chēng)為端到端電阻，由電路的設計考慮事項決定。供應商以 1/2/5 的順序提供 5 kΩ 和 100kΩ 之間的電阻值，還有一些其他中間值。此外，還有一些具有擴展范圍的器件，可低至 1 kΩ 或者高至 1 MΩ。
● 分辨率定義了數字電位器能夠提供多少個(gè)離散式步進(jìn)或抽頭設定值，范圍從 32 到 1024 步，以使設計者能夠滿(mǎn)足應用需要。請記住，即使是一個(gè)中程 256 步（8 位）數字電位器的分辨率也比電位器高。
● 微控制器和數字電位器之間的數字接口采用標準的串行 SPI、I2C 格式，還有地址引腳，這樣就可以通過(guò)一條總線(xiàn)連接多個(gè)設備。微控制器使用一個(gè)簡(jiǎn)單的數據編碼方案來(lái)指示所需的電阻設置。諸如 Texas Instruments 的 TPL0501 器件便是此類(lèi)極簡(jiǎn)型數字電位器。這是一種具有 SPI 接口的 256 抽頭數字電位器，非常適合功率耗散和尺寸至關(guān)重要的情況（圖 4）。該器件采用節省空間的 8 針 SOT-23（1.50 mm × 1.50 mm）和 8 針 UQFN（1.63 mm × 2.90 mm）封裝。
圖4：像 Texas Instruments 的 TPL0501 這樣具有 SPI 接口的基本型數字電位器，對于不需要更多功能的空間和功率受限型應用來(lái)說(shuō)是一種有效的器件。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
例如，在實(shí)際中可將其用于臨床級可穿戴醫療設備，如血氧儀和傳感器補片。該器件在本例中搭配使用TI 的 OPA320 運算放大器（圖 5）。通過(guò)組合這兩種器件，可以構建一個(gè)分壓器，用于控制提供數模轉換器 (DAC) 輸出的放大器增益。很明顯有人會(huì )問(wèn)，為什么不簡(jiǎn)單地使用一個(gè)完整的標準 DAC？具體原因是，這種臨床應用需要高精度、軌至軌模擬輸出，具有高共模抑制比 (CMRR) 和低噪聲。為此，OPA320 的這兩個(gè)指標在10 kHz 時(shí)分別為 114 dB 和7 nV/√Hz。
圖 5：數字電位器可與精密運算放大器（如 TI 的 OPA320）配合使用，創(chuàng )建一個(gè)其運算放大器輸出性能超凡的 DAC。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
此外，還有一些數字電位器接口變化，可簡(jiǎn)化其在手動(dòng)式音量控制器等應用中的使用。另外兩個(gè)選擇是按鈕和上/下 (U/D) 接口。使用按鈕時(shí)，用戶(hù)可以按下兩個(gè)按鈕中任意一個(gè)：一個(gè)用于增加電阻，另一個(gè)用于減少電阻。請注意，該操作過(guò)程中沒(méi)有處理器參與（圖 6）。
圖 6：采用按鈕式接口時(shí)，允許在兩個(gè)手動(dòng)按鈕之間進(jìn)行無(wú)處理器連接，因此可以直接增加/減少數字電位器的設置。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
U/D 接口可以用最小的軟件開(kāi)銷(xiāo)來(lái)實(shí)現，并通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的旋轉編碼器或與處理器相連的按鈕來(lái)觸發(fā)，使用諸如 Microchip Technology 的 MCP4011 等數字電位器來(lái)實(shí)現。這是一個(gè)基本的 64 步（6位）器件，其電阻值為 2.1 kW、5 kW、10 kW 和 50 kW（圖 7）。
圖 7：像 Microchip Technology 的 MCP4011 這種具有邊沿驅動(dòng)式 U/D 控制線(xiàn)路和芯片選擇的數字電位器，只需主微控制器提供最少的 I/O 和軟件資源。（圖片來(lái)源：Microchip Technology，有修改）
該器件使用單一的高電平或低電平邊沿觸發(fā)，再加上芯片選擇，來(lái)增加或減少電阻增量（圖 8）。這樣，就可以簡(jiǎn)單地實(shí)現一個(gè)旋鈕，看起來(lái)就像傳統的音量控制器，與電位器沒(méi)有任何關(guān)系，但又有數字電位器的各種優(yōu)勢。
圖 8：數字電位器的U/D 接口支持使用來(lái)自低分辨率編碼器的觸發(fā)器對電阻值進(jìn)行邊緣觸發(fā)式增減。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）
數字電位器的容差可能會(huì )是一個(gè)問(wèn)題，因為容差通常在額定值的 ±10 和 ±20% 之間，這個(gè)范圍在許多比率測量或閉環(huán)情況下是可以接受的。然而，如果數字電位器與外部分立電阻器或開(kāi)環(huán)應用中的傳感器相匹配，容差就可能是一個(gè)關(guān)鍵參數。因此，有的標準數字電位器具有更嚴格的容差，可低至 ±1%。當然，與所有的 IC 一樣，電阻溫度系數、與溫度有關(guān)的漂移也可能是一個(gè)因素。供應商在他們的規格書(shū)中規定了這個(gè)數字，這樣設計者就可以通過(guò) Spice 等電路模型來(lái)評估其影響。其他緊容差選擇將在下文將討論。
盡管在如校準或偏置點(diǎn)設置等靜態(tài)應用中帶寬和失真不是同一個(gè)考慮因素，但在音頻及相關(guān)應用中卻是一個(gè)問(wèn)題。特定代碼的電阻路徑與開(kāi)關(guān)寄生、引腳和電路板電容相結合，會(huì )形成一個(gè)電阻電容 (RC) 低通濾波器。較小的端對端電阻值產(chǎn)生較高的帶寬，1 kΩ 數字電位器的帶寬可達約 5 MHz，1 MΩ 數字電位器則低至5 kHz。
相比之下，總諧波失真 (THD) 很大程度上是由于不同的應用信號水平下電阻的非線(xiàn)性造成的。端對端電阻值較大的數字電位器減少了內部開(kāi)關(guān)電阻相對于總電阻的貢獻，從而使 THD 更低。因此，帶寬與 THD 的關(guān)系是設計者在選擇標稱(chēng)數字電位器值時(shí)必須優(yōu)先考慮和權衡的一個(gè)因素。典型值范圍為從 20 kΩ 數字電位器的 -93dB，到 100 kΩ 數字電位器的 -105dB。
04 數字電位器的雙重、四重和線(xiàn)性與對數變化之比較
除了“免手動(dòng)”可控性能外，數字電位器更加簡(jiǎn)單，易于設計導入且成本遠低于電位器。數字電位器的其他功能：
● 在兩個(gè)電阻值必須獨立調節時(shí)，雙重數字電位器便很有用，而且當二者必須為同一數值則優(yōu)勢更加明顯。雖然可以使用兩個(gè)獨立的數字電位器 IC，但雙重器件還有可以跟蹤電阻值的優(yōu)勢，盡管會(huì )存在容差和漂移；也可以使用四重數字電位器。
● 線(xiàn)性與對數 (log) 設置：雖然調節和校準應用通常要求數字編碼和合成電阻值之間是線(xiàn)性關(guān)系，但對數關(guān)系有利于許多音頻應用，可以更好地適應音頻情況下所需的分貝調節。
為滿(mǎn)足這一需求，設計人員可以使用對數型數字電位器，如 Maxim Integrated Products?的 DS1881E-050+。這種雙通道器件采用 5 V 單電源供電，其端到端電阻為 45 kΩ，具有 I2C 接口和地址引腳，允許在總線(xiàn)上連接多達八個(gè)器件。在兩個(gè)通道中，每個(gè)通道的電阻值都可獨立設置，并且為用戶(hù)提供了多個(gè)可選的配置設定值；基本配置為 63 步，每步衰減 1 dB，從 0 dB 到 -62 dB，以及靜音功能（圖 9）。
圖 9：Maxim DS1881E-050+ 雙通道數碼相機設計用于音頻信號路徑，在 63dB 范圍內增益設置為 1dB/步。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated Products）
DS1881E-050+ 能夠最大限度地減少串擾，且兩個(gè)通道提供 0.5 dB 通道間匹配，以最大限度地減少它們之間的音量差異。該器件還實(shí)現了可防止出現可聞咔噠聲的過(guò)零電阻切換，并包括非易失性存儲器；其一般效用將在下文討論。
數字電位器能夠應對的最大電壓也是一個(gè)考慮因素。低電壓數字電位器可在低至 +2.5 V（或 ±2.5 V 雙極）電源軌上工作，而更高電壓的數字電位器，如Microchip Technology 的 MCP41HV31——一款 50 kΩ、128 個(gè)抽頭的 SPI 接口器件，可在高達 36 V（±18 V）的電源軌上工作。
05 非易失性存儲器協(xié)助電源復位
基本的數字電位器有很多優(yōu)點(diǎn)，但與電位器相比有一個(gè)不足無(wú)法避免：數字電位器的設置在斷電后會(huì )丟失，而且其上電復位 (POR) 位置是由自身設計設定的，通常在中程部分。不幸的是，對于許多應用來(lái)說(shuō)，這種POR 設置不可接受?？紤]校準設置：一旦確定就應該保留，直到有意去調節，即使是切斷線(xiàn)路電源或更換電池也是如此；此外，在許多應用中，“正確”設置是在斷電時(shí)最后使用的設置。
因此，電位器還能繼續使用的原因之一是，它們的設置在電源復位時(shí)不會(huì )丟失；不過(guò)數字電位器已經(jīng)消除了這一缺陷。最初常見(jiàn)的設計是讓系統處理器在運行期間回讀數字電位器的設置，然后在上電時(shí)重新加載。然而，這樣做造成會(huì )開(kāi)機故障，對系統的完整性和性能來(lái)說(shuō)往往是不可接受的。
為解決這一問(wèn)題，供應商在數字電位器中使用基于 EEPROM 的非易失性存儲器 (NVM) 技術(shù)。有了 NVM，數字電位器在電源關(guān)閉時(shí)可保留其最后設置的滑臂位置，而一次性可編程 (OTP) 版本則允許設計者將滑臂的上電復位 (POR) 位置設置為預先定義的值。
NVM 增強了其他方面的性能。例如，Analog Devices 的 AD5141BCPZ10 電阻容差誤差存儲在其 EEPROM 存儲器中（圖 10）。該器件是一款單通道、128/256 位、可重寫(xiě)的非易失性數字電位器，支持 I2C 和 SPI 接口。使用已保存的容差值，設計者可以計算出端到端電阻的實(shí)際值，精確度為 0.01%，從而定義“滑臂上方”部分和“滑臂下方”部分的數字電位器分段比率。這種精度比沒(méi)有采用 NVM 的數字電位器的 1% 精度高一百倍。
圖 10：Analog Devices 的 AD5141BCPZ10 數字電位器集成了可重寫(xiě)的非易失性存儲器 (EEPROM)，可用于保存所需的上電復位設置，以及自身電阻器陣列的校準系數。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
這種線(xiàn)性增益設置模式允許通過(guò) RAW 和 RWB 電阻串對數字電位器端子之間的電阻值進(jìn)行獨立設置，可實(shí)現高精確度電阻匹配（圖 11）。例如，反相放大器拓撲結構經(jīng)常需要如此之高的精度，在這種拓撲結構中，增益是由兩個(gè)電阻的比率決定的。
圖11：對于使用精確的電阻比來(lái)設置放大器增益的電路來(lái)說(shuō)，數字電位器中的 NVM 也可以用來(lái)保存滑臂上方和下方的校準電阻值。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
06 警惕數字電位器的特異性
雖然在傳統設備不太理想或不實(shí)用的情況下，數字電位器被廣泛用于取代傳統器件，但他們確實(shí)有一些需要引起設計者注意的特性。例如，電位器的金屬滑臂與電阻元件接觸時(shí)接觸電阻幾乎為零，且溫度系數通?？梢院雎?。然而，對數字電位器來(lái)說(shuō)，滑臂則是一個(gè) CMOS 元件，其電阻雖小，但意義大，具體為幾十歐到 1 kΩ 范圍內。如果 1 mA 電流通過(guò) 1kΩ 的滑臂，那么滑臂上產(chǎn)生的 1 V 電壓降可能會(huì )限制輸出信號的動(dòng)態(tài)范圍。
此外，該滑臂的電阻是所施加電壓和溫度的函數，所以導致了非線(xiàn)性，從而使信號路徑中的交流信號失真?；鄣牡湫蜏囟认禂导s為百萬(wàn)分之 300 每攝氏度 (ppm/?C)，這可能很重要，在進(jìn)行高精度設計時(shí)應將其考慮在誤差預算中。數字電位器型號也具有更低的系數。
結語(yǔ)
數字電位器是一種數字設置的 IC，在許多系統結構和電路設計中取代了經(jīng)典的機電式電位器。數字電位器不僅減少了產(chǎn)品尺寸和因意外移動(dòng)而出錯的可能性，而且還增加了與處理器的兼容性，從而增加了軟件的兼容性，還具有更高的精度和分辨率（如果需要）以及其他的有用功能。
如圖所示，數字電位器具有廣泛的標稱(chēng)電阻值、步長(cháng)和精度，而增加的非易失性存儲器又擴展了其功能，并克服了在許多應用中使用時(shí)的一個(gè)重要障礙。
作者： Bill Schweber
來(lái)源：DigiKey
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