Вплив архітектури та характеристик цифрових потенціометрів на проходження сигналів змінного струму

Miguel Usach Merino, Analog Devices

Цифрові потенціометри забезпечують зручний спосіб регулювання змінної або постійної напруги, або вихідного струму датчиків, джерел живлення, а також інших пристроїв, що вимагають будь-якої калібрування: за часом, частотою, контрастністю, яскравістю, посиленням, зміщенням, – і це – тільки деякі із можливих варіантів застосування. Цифрове регулювання дозволяє уникнути практично всіх проблем, властивих механічним потенціометрам, таких, як фізичний розмір, механічне зношування, пошкодження рухомого контакту, дрейф опору, чутливість до вібрації, температури і вологості, а також знижує вимоги до топології друкованої плати внаслідок відсутності необхідності в підстроювання викруткою.

Цифровий потенціометр може використовуватися у двох різних режимах роботи: як потенціометр та як реостат. У режимі потенціометра, зображеному на малюнку 1, використовуються три висновки. Джерело сигналу підключається між висновками A і B, тоді як з виводу W (Wiper – рухомий контакт, повзунок) знімається ослаблена вихідна напруга. Коли цифровий контрольний регістр потенціометра встановлений у нуль, повзунок, як правило, з'єднаний з виводом B.


Малюнок 1.	Режим потенціометра.

У тому випадку, коли повзунок з'єднується з одним з інших висновків, потенціометр перетворюється, по суті, на змінний резистор або реостат, як показано на Рисунку 2. Режим реостату відрізняється меншим форм-фактором, зважаючи на те, що використовується менше зовнішніх висновків. Деякі цифрові потенціометри випускаються лише як реостати.


Малюнок 2.	Реостатній режим.

Щодо полярності струму та напруги, що подається на висновки цифрового потенціометра, не існує жодних обмежень, проте необхідно враховувати, що амплітуда змінного сигналу не повинна виходити за межі шин живлення (VDD і VSS), а максимальний струм повинен бути обмежений, особливо якщо пристрій працює в режим реостату при низьких значеннях опору.

Типові застосування

Ослаблення сигналу потенціометром у режимі реостату засноване на розподілі напруги. Величину вихідного сигналу можна визначити з наступного співвідношення:

RPOT – номінальний повний опір цифрового потенціометра, RDAC – опір між повзунком W та висновком, з'єднаним з опорним сигналом (зазвичай B), як показано на Рисунку 3.


Малюнок 3.	Атенюатор сигналів.

Посилення сигналу вимагає застосування активних компонентів (звичайно підсилювача, що інвертує або неінвертує). Для встановлення необхідного коефіцієнта посилення можна використовувати як потенціометрний режим, так і реостатний режим. На Рисунку 4 зображено неінвертуючий підсилювач, який використовує потенціометр у ланцюзі зворотного зв'язку для регулювання посилення. Оскільки частка вихідної напруги RAW/(RWB + RAW), що утворює напругу зворотного зв'язку, повинна дорівнювати вхідному, ідеальний коефіцієнт посилення для даної схеми дорівнює:


Малюнок 4.	Неінвертуючий підсилювач з потенціометром у ланцюзі зворотного зв'язку.

Посилення схеми, обернено пропорційне величині RAW, у міру наближення RAW до нуля швидко зростає. Передатна функціяСхема описується гіперболою. Для обмеження максимального посилення послідовно c RAW включають резистор (у знаменнику рівняння, що описує коефіцієнт посилення).

Якщо ж потрібно, щоб передатна функція мала лінійний вигляд, використовують реостат з фіксованим зовнішнім резистором, як показано на малюнку 5. Тепер посилення визначається виразом:


Малюнок 5.	Неінвертуючий підсилювач з реостатом у ланцюзі зворотного зв'язку.

Для отримання кращих характеристик з'єднайте низькоємний висновок (виведення W у нових пристроях) з входом операційного підсилювача.

Переваги застосування цифрових потенціометрів у схемах посилення сигналу

Схеми, зображені на Рисунках 4 і 5, мають високий вхідний імпеданс і низький вихідний і можуть працювати як з однополярними, так і двополярними сигналами. Цифрові потенціометри можуть використовуватися для точного підстроювання, що забезпечує підвищену роздільну здатність у вузькому діапазоні, встановленому фіксованими зовнішніми резисторами, і можуть використовуватися в схемах на операційних підсилювачах з інвертуванням сигналу або без. Крім того, цифрові потенціометри мають низький температурний коефіцієнт опору – типові значення 5 ppm/°C для режиму потенціометра та 35 ppm/°C для реостатного режиму.

Обмеження, пов'язані з використанням цифрових потенціометрів у схемах посилення сигналів

При обробці сигналів змінного струму характеристики цифрових потенціометрів обмежені по діапазону робочих частот і нелінійним спотворенням. Смуга пропускання визначає максимальну частоту сигналу, який, при проходженні через цифровий потенціометр, послаблюється внаслідок наявності паразитних елементів не більше ніж на 3дБ. p align="justify"> Коефіцієнт нелінійних спотворень (THD), визначений тут як відношення середньоквадратичної суми наступних чотирьох гармонік до величини основної гармоніки на виході, є мірою спотворення сигналу при проходженні його через пристрій. Межа працездатності визначається цими характеристиками, пов'язаними із внутрішньою архітектурою цифрового потенціометра. Більш докладний аналіз здатний допомогти повністю зрозуміти зміст цих характеристик і зменшити негативний ефект, що викликається ними.

Внутрішня архітектура, що є класичною схемою із послідовно з'єднаних резисторів, представлена на Малюнку 6а, а на Малюнку 6б показана сегментована архітектура. Основна перевага другої схеми полягає у зменшенні кількості необхідних внутрішніх ключів. У першому випадку це послідовна топологія, де число ключів дорівнює N = 2 n , де n - розрядність в бітах. Наприклад, при n = 10 потрібно 1024 ключі.


Малюнок 6.	а) Традиційна архітектура. б) Сегментована архітектура.

Запатентована сегментована архітектура використовує каскадне включення ключів, що дозволяє мінімізувати їхню загальну кількість. Приклад на Малюнку 6б показує двосегментну архітектуру, сформовану двома типами блоків: MSB ліворуч та LSB праворуч.

Верхні та нижні блоки зліва містять ключі для перемикання старших розрядів, тобто для грубої установки опору (сегмент MSB). Блок праворуч складається з ключів, які обслуговують молодші, «точніші» біти (сегмент LSB). Ключі сегмента MSB встановлюють грубе наближення відношення RA/RB. Так як загальний опір елементів рядка LSB дорівнює опору одного резистивного елемента рядка MSB, ключі LSB задають точне значеннякоефіцієнта за встановленого значення основного рядка. MSB ключі A та B закодовані комлементарно.

Число ключів у сегментованій архітектурі дорівнює:

N = 2 m + 1 + 2 n - m,

n – загальна кількість біт, m – число біт дозволу на слові MSB.

Наприклад, якщо n = 10, а m = 5, потрібно 96 ключів.

Сегментована схема вимагає менше ключів, ніж стандартна:

Різниця = 2 n – (2 m + 1 + 2 n – m)

У цьому прикладі економія складає:

У обох архітектурах ключі визначають вибір різних значень опору, роблячи важливим розуміння джерела помилок під час проходження змінного сигналу через аналоговий ключ.

КМОП ключі складаються з включених паралельно MOSFET транзисторів з каналами P- та N-типу. Ця базова схема двонаправленого ключа зберігає досить постійний опір (RON) при зміні сигналів, аж до рівня напруги живлення.

Переклад: TenzoR на замовлення РадіоЛоцман