怎樣將數字電位器的帶寬從10倍提高到100倍
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有限的調整范圍
該方法利用了這一事實(shí)——在很多數字電位器應用中，電位器用于對信號進(jìn)行微調，并不需要從0%到100%的滿(mǎn)量程調整，例如：一次性工廠(chǎng)校準等。在這些例子中，數字電位器一般提供10%以下的調整范圍。我們正是借助這一有限的調整范圍來(lái)提高數字電位器的帶寬。典型應用電路
典型的電位器電路配置如圖1所示。這里，數字電位器用于改變信號的衰減量。R2為數字電位器，圖中還標出了寄生電容(Cwiper)。該電容是所有數字電位器固有的，它限制了電路帶寬。電位器在0至滿(mǎn)量程之間擺動(dòng)時(shí)，R1和R3用于限制由數字電位器引起的信號衰減。
圖1. 典型的數字電位器電路配置
注：由于采用了運算放大器，該電路可以用于放大和衰減。當然，以下介紹的提高帶寬的方法與所選擇的電路拓撲無(wú)關(guān)。
為計算電路的傳輸函數(VOUT/VIN)，可以使用不同模式的電位器—參見(jiàn)圖2。圖中，R2被分成了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。假設我們使用的電位器具有10kΩ的端到端電阻(忽略觸點(diǎn)電阻的影響)，R2top和R2bottom相對于數字編碼的理想傳輸函數如圖3所示。下面介紹了傳輸函數的兩個(gè)端點(diǎn)和中點(diǎn)：
- (1) 當電位器編碼 = 0時(shí)，R2top = 10kΩ，R2bottom = 0kΩ
(2) 當電位器編碼 = 中間位置時(shí)，R2top = R2bottom = 5kΩ
(3) 當電位器編碼 = 滿(mǎn)標位置時(shí)，R2top = 0kΩ，R2bottom = 10kΩ
圖2. 數字電位器，R2分成了R2top和R2bottom
圖3. 數字電位器的理想傳輸函數
從圖4可以得出VOUT/VIN的直流傳輸函數：
- (4) VOUT/VIN = (R3 + R2bottom)/(R1 + R2 + R3)，其中R2 = R2top + R2bottom
圖4. 典型數字電位器的電路配置，數字電位器采用新模型
下面，讓我們做一些假設：
假設
假設R2 = 10kΩ (常用的數字電位器電阻值)，如果希望把輸入信號衰減到任意電平，例如，輸入值的70% ±5% (輸入值的65%到75%)。然后，使用式(1)–(4)，可以看到有65%到75%的調整范圍，標稱(chēng)值(中間位置)為70%：
- (5) R1 = 24.9kΩ并且R3 = 64.9kΩ
典型應用電路的帶寬
利用式(5)的電阻值，假設Cwiper = 10pF，可以獲得表1所列出的帶寬。實(shí)際觸點(diǎn)電容在3pF在80pF范圍內，與觸點(diǎn)電阻、步長(cháng)數、所采用的IC工藝以及電位器體系結構等因素有關(guān)。3V至5V供電、32至256步長(cháng)的10kΩ電位器的典型電容值為3pF–10pF。注意，本文分析基于的假設是：觸點(diǎn)電容與電位器電阻并聯(lián)，由此限制電位器的帶寬。這種方法是最直接的電位器使用方式，如果采用更復雜的電位器配置，可能會(huì )進(jìn)一步限制帶寬。因此，下面對提高帶寬的討論非常有用，即使實(shí)際得到的帶寬沒(méi)有達到預期目的。
表1. 圖1電路的帶寬，采用式5電阻
| Condition | Cwiper = 10pF* | ||
| -0.1dB bandwidth | -0.5dB bandwidth | -3dB Bandwidth | |
| Pot at 0 Code | 106kHz | 245kHz | 702kHz |
| Pot at Mid Scale | 115kHz | 265kHz | 760kHz |
| Pot at Full Scale | 130kHz | 296kHz | 852kHz |
對于視頻等應用，這些帶寬還是過(guò)低。
提高電路帶寬
使用低電阻電位器
一種提高電路帶寬最明顯的方法是選擇具有較低阻值的數字電位器，例如，1kΩ電位器，按比例調整R1和R2 (1kΩ電位器與10kΩ電位器相比，阻值減小10倍)。然而，低阻值數字電位器(1kΩ)一般占用較大的裸片面積，意味著(zhù)較高的成本和較大的封裝尺寸，出于這一原因，1kΩ電位器的實(shí)際應用非常有限。如果某一電位器能夠滿(mǎn)足設計要求，上面提到的10kΩ電位器的帶寬會(huì )隨著(zhù)電阻的減小而線(xiàn)性提高，例如，提高10倍(假設雜散觸點(diǎn)電容沒(méi)有變化)。
例如，使用1kΩ電位器，設置R1 = 2.49kΩ， R3 = 6.49kΩ，觸點(diǎn)電容為10pF，電位器設在中間位置，可以獲得1.15MHz的-0.1dB帶寬，以及7.6MHz的-3dB帶寬。這要比表1所列出的帶寬提高10倍。
使用10kΩ電位器，改變電路拓撲
使用高精度電位器，限制編碼范圍
與1kΩ電位器相比，選擇5kΩ和10kΩ電位器可能是更好的方案–可以獲得更小封裝的電位器，從中可以選擇易失或非易失存儲器，也有更多的數字接口選擇(up/down、I2C、SPI?)以及調整步長(cháng)(32、64、128、256等)。出于這一原因，下面的設計實(shí)例選擇了具有10kΩ端到端電阻的電位器。假設由于成本、體積、接口以及電位器調整步長(cháng)等因素的限制，需要使用10kΩ端到端電阻電位器，這種情況下如何提高圖1電路的帶寬呢?
提高帶寬的一種方法是去掉電阻R1和R3，使用步長(cháng)數多于圖1電路要求的電位器。例如，32步長(cháng)電位器獲得10%的調整范圍，按照上述介紹，可以選擇替換這一步長(cháng)的電位器，而使用256步長(cháng)電位器，去掉R4和R6，限制電位器的調整范圍在達到要求衰減的編碼之內—我們繼續上面的設計目標，65%到75%。這種方法在圖5給出了解釋。所使用的編碼是從0.65 × 256 ( = 166.4，使用166)到編碼0.75 × 256 ( = 192)。這個(gè)例子中使用了一個(gè)256步長(cháng)的電位器；由于有限的編碼將可用步長(cháng)數限制在26 (即，10%的調整范圍，僅用了256步長(cháng)的10%)。26步長(cháng)可用范圍對應于上例中的32步長(cháng)范圍。
圖5. 只使用高精度(256步長(cháng))電位器的部分編碼以獲得0.65到0.75的調整范圍
與32步長(cháng)的電位器相比，這一方法的一個(gè)缺點(diǎn)是：256步長(cháng)電位器的成本要高得多，可以選擇的電位器封裝尺寸較大(額外的精度需要額外的開(kāi)關(guān)—例如，256步長(cháng)和32步長(cháng)相比，需要占用額外的裸片面積，而且，這些開(kāi)關(guān)并不利于改善Cwiper)。假設Cwiper為30pF，VOUT/VIN = 0.70—在調整范圍的中點(diǎn)，圖5電路有384kHz的-0.1dB帶寬，879kHz的-0.5dB帶寬，2.52MHz的-3dB帶寬。與表1結果相比，帶寬提高了3倍。
一種成本更低、性能更好的方案是在圖1電路中加入一些分立電阻，如圖6所示。
圖6. 在最初電路中使用兩個(gè)并聯(lián)電阻(R4和R5)，與圖1和圖2相比，帶寬增大100倍
使用并聯(lián)電阻降低電路阻抗
圖6中的電路在圖1基礎上增加了并聯(lián)電阻(注意，使用了圖2中引入的數字電位器模型)。并聯(lián)電阻降低了電路阻抗(從而提高了帶寬)，通過(guò)設置電路增益，限制由數字電位器在0編碼到滿(mǎn)標編碼之間擺動(dòng)時(shí)導致的衰減，可以達到雙重目的。設置電位器電路增益，使用并聯(lián)器件限制其調整范圍(R4和R5，而不是簡(jiǎn)單使用串聯(lián)器件R1、R2和R3)，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，但是由于其串聯(lián)電阻要比R4和R5大得多，這種影響非常小。
可以通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的示例來(lái)說(shuō)明R4和R5對圖6電路的影響。在圖7中，電路上部的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。
圖7. 簡(jiǎn)化電路“上 手機充電器相關(guān)文章:手機充電器原理
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