如何提高數(shù)字電位器的帶寬

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％。