如何提高數(shù)字電位器的帶寬

1 引言
    數(shù)字電位器可廣泛用于控制或調(diào)整電路參數(shù)。由于數(shù)字電位器本身帶寬的限制．只能用于直流或低頻應(yīng)用。其典型一3 dB帶寬在100 kHz至幾MHz內(nèi)，具體數(shù)值與型號(hào)有關(guān)。然而，通過(guò)采用下面介紹的簡(jiǎn)單方法，可以將電位器的信號(hào)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(shù)字電位器用于視頻或其他高速應(yīng)用領(lǐng)域。

2 有限的調(diào)整范圍
    在許多應(yīng)用中，數(shù)字電位器用于信號(hào)微調(diào)，而無(wú)需從0％到100％的滿量程調(diào)整，例如：一次性工廠校準(zhǔn)等。在這些應(yīng)用中，數(shù)字電位器一般提供10％以下的調(diào)整范圍。正是借助這一有限的調(diào)整范圍來(lái)提高數(shù)字電位器的帶寬。

3 典型應(yīng)用電路
    圖1為電位器典型的電路配置，圖中，數(shù)字電位器用于改變信號(hào)的衰減量。R2為數(shù)字電位器，Cwiper為寄生電容，該電容是所有數(shù)字電位器固有的，它限制電路帶寬。當(dāng)電位器在0至滿量程之間擺動(dòng)時(shí)，R1和R3用于限制數(shù)字電位器引起的信號(hào)衰減。

    需要說(shuō)明的是：由于該電路采用運(yùn)算放大器，可用于信號(hào)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?fù)錈o(wú)關(guān)。為計(jì)算電路的傳輸函數(shù)(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(diǎn)以上的電阻，R2bottom是電位器觸點(diǎn)以下的電阻。假設(shè)使用的電位器具有10 kΩ的端到端電阻(忽略觸點(diǎn)電阻的影響)，R2top和R2bottom是相對(duì)于數(shù)字編碼的理想傳輸函數(shù)，如圖3所示。傳輸函數(shù)的兩個(gè)端點(diǎn)和中點(diǎn)：當(dāng)電位器編碼為0時(shí)，R2top=10 kΩ，R2bpttom=0kΩ；而當(dāng)電位器編碼處于中間位置時(shí)，則R2top=R2bottom=5 kΩ；當(dāng)電位器編碼處于滿標(biāo)位置時(shí)，R2top=0 kΩ，R2bottom=10 kΩ。

    由圖2得出VOUT/VIN的直流傳輸函數(shù)：

    VOUT/VIN=(R3+R2bottom)/(R1+R2+R3)    (1)

式中：R2=R2top+R2bottom

    假設(shè)R2=10 kΩ(常用數(shù)字電位器電阻值)，如果希望把輸入信號(hào)衰減到任意電平，例如，輸入值的70％±5％(輸入值的65％～75％)。然后，運(yùn)用相關(guān)運(yùn)算，調(diào)整范圍為65％~75％，標(biāo)稱值f中間位置)為70％：R1=24．9 kΩ且R3=64．9 kΩ。

4 典型應(yīng)用電路的帶寬
    利用式(1)中的R1和R3電阻值，假設(shè)Cwiper=10pF，獲得表l所列的帶寬。實(shí)際觸點(diǎn)電容在3～80 pF內(nèi)，并與觸點(diǎn)電阻、步長(zhǎng)數(shù)、采用的IC工藝及電位器體系結(jié)構(gòu)等有關(guān)。3～5 V供電、32至256步長(zhǎng)的10 kΩ電位器的典型電容值為3～10 DF。

    *注意，帶寬與觸點(diǎn)電容成反比。采用3 pF Cwiper，帶寬頻率將提高3.3倍對(duì)于視頻等應(yīng)用，這些帶寬還是過(guò)低。
    需要注意的是，這里分析基于的假設(shè)是：觸點(diǎn)電容與電位器電阻并聯(lián)，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(fù)雜的電位器配置，可能會(huì)進(jìn)一步限制帶寬。因此，討論提高帶寬非常有必要，即使實(shí)際帶寬未達(dá)到預(yù)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(shù)字電位器，例如，1 kΩ電位器，按比例調(diào)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(shù)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(shí)際應(yīng)用非常有限。如果某一電位器能夠滿足設(shè)計(jì)要求，10kΩ電位器的帶寬會(huì)隨著電阻的減小而線性提高，例如，提高10倍(假設(shè)雜散觸點(diǎn)電容無(wú)變化)；或使用1 kQ電位器，設(shè)置Rl=2.49 kΩ，R3=6．49kΩ，觸點(diǎn)電容為10 pF，電位器設(shè)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?fù)?br />    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(chǔ)器，也有更多的數(shù)字接口(up／down、I2C、SPITM)以及調(diào)整步長(zhǎng)(32、64、128、256等)可供選擇。出于這一原因，設(shè)計(jì)實(shí)例選用10 kΩ端到端電阻的電位器。假設(shè)成本、體積、接口以及電位器調(diào)整步長(zhǎng)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(yīng)用電路的帶寬的方法是去掉電阻R1和R3，使用步長(zhǎng)數(shù)多于該電路要求的電位器。例如，32步長(zhǎng)電位器獲得10％的調(diào)整范圍，按照上述介紹，可以選擇替換這一步長(zhǎng)的電位器，而使用256步長(zhǎng)電位器，去掉R4和R6，限制電位器的調(diào)整范圍在達(dá)到要求衰減的編碼65％～75％內(nèi)。所使用的編碼是從0．65×256 (使用166)到編碼0．75×256(192)。該實(shí)例使用一個(gè)256步長(zhǎng)的電位器；由于有限的編碼將可用步長(zhǎng)數(shù)限制在26，即10％的調(diào)整范圍，僅用了256步長(zhǎng)的10％。

    與32步長(zhǎng)電位器相比，該方法的缺點(diǎn)是256步長(zhǎng)電位器成本較高，故可選用封裝尺寸較大的電位器。假設(shè)Cwiper為30 pF，VOUT/VIN=0．70，處于調(diào)整范圍的中點(diǎn)，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(lián)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(lián)電阻降低電路阻抗
    電路中增加并聯(lián)電阻(注意，使用圖2中引入的數(shù)字電位器模型)。降低電路阻抗(提高帶寬)，通過(guò)設(shè)置電路增益，限制由數(shù)字電位器在0編碼到滿標(biāo)編碼之間擺動(dòng)時(shí)導(dǎo)致的衰減，可以達(dá)到雙重目的。
    設(shè)置電位器電路增益，使用并聯(lián)器件限制其調(diào)整范圍(R4和R5，而不是簡(jiǎn)單串聯(lián)R1、R2和R3)，其電路帶寬優(yōu)于圖1帶寬。還需要注意，電阻R1、R2和R3還會(huì)影響電路增益，但由于其串聯(lián)電阻要比R4和R5大得多，這種影響非常小?？梢酝ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單示例來(lái)說(shuō)明R4和R5對(duì)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(lián)，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(lián)，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(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。圖7結(jié)合了圖6中的簡(jiǎn)化示例，給出了VOUT/VIN傳輸函數(shù)。從該圖中可以清楚看到，通過(guò)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(shí)際值
    實(shí)際設(shè)置R1、R3、R4和R5的阻值，可以對(duì)比圖l電路的帶寬，從而確定R4和R5對(duì)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(jì)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(jié)果要比圖1電路提高100倍。

    *注意，帶寬與觸點(diǎn)電容成反比。例如，采用3 pF Cwiper，帶寬提高3.3倍。

9 結(jié)語(yǔ)
    介紹了在窄帶數(shù)字電位器中簡(jiǎn)單加入并聯(lián)電阻以提高系統(tǒng)帶寬的方法，顯著提高系統(tǒng)性能(帶寬可提高100倍)。設(shè)計(jì)前提是假設(shè)實(shí)際應(yīng)用允許降低電位器的控制范圍，以提高帶寬。帶寬提高后，數(shù)字電位器可用于以前無(wú)法涉及的高頻領(lǐng)域，例如視頻信號(hào)鏈路控制等。