如何利用DCP獲得更精確的性能

數(shù)控電位器(DCP|0">DCP)在各種應(yīng)用中深受歡迎，尤其在控制、參數(shù)調(diào)整、信號處理方面。數(shù)字電位器取代了機(jī)械電位器，并在很多方面體現(xiàn)出優(yōu)勢，如遠(yuǎn)程操作、可編程性、高分辨率、小型化、可靠性、能存儲多個動觸點(diǎn)位置，以及更低的系統(tǒng)成本。

當(dāng)然，使用DCP進(jìn)行設(shè)計(jì)時，也有一些限制需要考慮，比如受限的端電壓以及精度。這些限制來自于多晶硅|0">多晶硅電阻的制造工藝以及在CMOS|0">CMOS集成電路中的集成工藝。

DCP是通過電阻的組合來實(shí)現(xiàn)的，電阻R通過串聯(lián)連接著CMOS開關(guān)，如圖1。

圖1：DCP電阻陣列

電阻陣列的物理兩端，即RH和RL端，等效于機(jī)械電位器的固定端。動觸點(diǎn)RW通過CMOS開關(guān)一次一個地連接著中間節(jié)點(diǎn)，等效于機(jī)械電位器的動觸點(diǎn)端。

多晶硅DCP的典型電阻精度為±20%，然而，相對精度或者是在特定的電阻陣列內(nèi)的電阻匹配程度更高，通常為±1%甚至更精確。因此，在設(shè)計(jì)階段，需要仔細(xì)的計(jì)算相對精度與總體精度之間的差異，從而避免或者減小應(yīng)用電路生產(chǎn)時的額外調(diào)整工作。本文主要討論DCP精度是如何影響著設(shè)計(jì)，另外還討論了一些能提高系統(tǒng)最終精度的技術(shù)。

在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，DCP主要有兩種用途：用作分壓器和變阻器。

電壓分壓器模式

當(dāng)DCP用作電壓分壓器時，其RH和RL端連接著電源軌，動觸點(diǎn)RW的最終精度僅取決于內(nèi)部電阻匹配程度。因此，每個部分都相同，不管總的電阻精度如何。

道理很簡單，因?yàn)镽H和RL間的電壓由特定數(shù)量的抽頭所分壓，即在分壓電阻串中，數(shù)量為n的等效電阻元素按比例縮小。例如，對于如圖2所示的配置，

圖2：高精度電壓分壓器

動觸點(diǎn)m的輸出電壓Vout可以計(jì)算得到(公式1a和1b)：
　
或

其中m為當(dāng)前動觸點(diǎn)的位置，n為抽頭的總數(shù)。

從公式1b中可以看出，電阻精度可以忽略且對輸出Vout沒有任何影響。

不過，如果DCP在RH和/或RL端另有電阻，輸出信號的精度將變成DCP初始精度的函數(shù)。這是因?yàn)榭s放系數(shù)在各個分壓電阻串中不相等，如圖3。

圖3：不同精度的例子

圖3中帶有R1和R2電路的輸出函數(shù)為(公式2)：


其中n為抽頭的總數(shù)，m為當(dāng)前動觸點(diǎn)的位置。

需要注意的是，動觸點(diǎn)電阻沒有包含在內(nèi)，這是因?yàn)槠鋵υ撎囟ǖ呐渲脹]有任何影響，同時我們假設(shè)使用的是理想運(yùn)放。

變阻器模式

當(dāng)DCP用作變阻器時，其輸出精度變成初始精度(±20%)加上由動觸點(diǎn)電阻帶來的額外誤差之和。因?yàn)閯佑|點(diǎn)開關(guān)不是理想的——即存在很小的阻值，通常為70Ω，并且該阻值在各個抽頭間是變化的。動觸點(diǎn)電阻在變阻器配置中大大降低，例如，當(dāng)動觸點(diǎn)連接到終端的一個端點(diǎn)上，如圖4a：

圖4：變阻器的結(jié)構(gòu)

在變阻器結(jié)構(gòu)中，如圖4a，動觸點(diǎn)電阻出現(xiàn)在電阻串部分并聯(lián)時，其效應(yīng)取決于所選的動觸點(diǎn)位置。

另一個可能的配置是讓終端的一個端點(diǎn)懸空，如圖4b所示。這種情況下，動觸點(diǎn)電阻通常會在數(shù)據(jù)資料表中以圖表形式提供，從而能更加容易的計(jì)算各個抽頭上的總電阻。公式3可用于計(jì)算抽頭m處的電阻：

可增加電路精度的設(shè)計(jì)實(shí)例

即使常規(guī)的DCP初始精度為±20%，應(yīng)用的精度可以通過使用一些特定的技術(shù)來提高。例如，圖3的設(shè)計(jì)通過簡單的修改即可獲得更高的精度，如圖5所示。

圖5：在分壓模式下提高精度的例子

在上述的例子中，輸入信號Vin被固定的R1、R2、R3電阻串所分壓，DCP放置在與R2的并聯(lián)位置上。這種配置可以保留可變輸出的靈活性，同時具有高得多的精度。需要注意的是，為了得到所需的精度，Rtotal的阻值應(yīng)該是R2的5-10倍。

當(dāng)DCP用作變阻器時，通過將DCP和高精度固定電阻的串并聯(lián)配置，可以得到更好的精度，如圖6。

圖6：DCP與固定電阻的串并聯(lián)配置

例如，圖6電路中使用了精度為±20%，阻值為10 kΩ, 抽頭個數(shù)為256的DCP，我們可以得到阻值變化范圍為5.5kΩ到10.695 kΩ的可變電阻，對應(yīng)的精度為±1.1%到±8.5%，如表1。

表1：DCP與固定電阻的串并聯(lián)配置

另一個DCP的實(shí)際用途為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的代替品。在大多數(shù)情況下，當(dāng)設(shè)計(jì)需要在受限范圍內(nèi)進(jìn)行微調(diào)時，一個8位的DCP可以實(shí)現(xiàn)比10位DAC更好的分辨率。有關(guān)DCP分辨率與終端電壓及抽頭數(shù)量關(guān)系函數(shù)見表2所示。

表2：不同抽頭對應(yīng)得DCP分辨率