摘要：數字電位器(digipot)能夠在各種應用中為模擬電路提供便利的電阻、電壓和電流的數字控制與調節。該應用筆記介紹了數字電位器的基本功能，說明了如何改進數字電位器以提高系統的性能，簡化設計，滿足特殊應用的需求。

概述

數字電位器，或digipot，方便了模擬電路的電阻、電壓以及電流的數字控制和調整。數字電位器通常用于電源校準、音量控制、亮度控制、增益調節以及光模塊的偏置/調制電流調節。數字電位器除基本功能外，還提供許多其它功能，以增強系統性能，簡化設計。這些功能包括：不同類型的非易失存儲器、過零檢測、去抖動按鍵接口、溫度補償和寫保護。這些功能針對不同的應用而設計。

基本的數字電位器設計

電位器實際上是一個三端元件(見圖1a)。低端VL在內部連接至器件地或作為引腳輸出，便于設計。三端數字電位器的結構實質上是一個具有固定端到端電阻的可調節分壓電阻。

可變電阻是雙端電位器，抽頭和一個電阻串端點的阻值可變(參考圖1b)。調節可變電阻數字電位器的抽頭位置，可以改變數字電位器的端到端電阻。


圖1. (a) 三端數字電位器的結構實質上是一個具有固定端到端電阻的可調節分壓電阻。(b) 可變電阻為雙端數字電位器，抽頭內部連接到電位器的一端。

簡單地說，數字電位器是由數字輸入控制的模擬輸出，類似于數/模轉換器(DAC)的定義。與DAC不同的是，DAC提供經過緩沖的輸出，而絕大多數數字電位器在沒有外部緩沖器的情況下不能驅動低阻負載。

對于數字電位器，最大抽頭電流范圍為幾百微安到毫安級。當數字電位器的抽頭連接到低阻負載時，無論是可變電阻還是真正的數字電位器，一定要確保在最糟糕的工作條件下抽頭電流處于可接受的IWIPER范圍。可變電阻的最差負載發生在VW接近VH時。在這個點上，電路中除抽頭電阻以外可能沒有其它電阻限制電流。但是，有些應用中可能要求很大的抽頭電流，這種情況下，需要重點考慮電位器抽頭的壓降，這個壓降限制了數字電位器的輸出動態范圍。

根據應用需求改進設計

數字電位器的應用范圍很廣，一些設計中可能需要外加器件，以滿足對數字電位器的“精密調節”要求。例如，數字電位器的端到端電阻范圍為10kΩ和200kΩ，而控制LED亮度時常常需要小電阻。解決這個問題的方案是DS3906，該芯片與105Ω的固定電阻并聯使用，可提供70Ω至102Ω的等效電阻。這種配置下可以獲得0.5Ω的步進調節，精確調節LED亮度。另一個解決方案是多通道數字電位器，如MAX5477或MAX5487，可以多個通道相互組合得到不同的調節電阻步長，達到數字電位器的分辨率要求。

有些情況可能需要更特殊的數字電位器功能，對于需要溫度補償的電壓或電流調節，如光模塊的光驅動器偏置，可以選擇基于查找表的可變電阻。一些數字電位器集成了EEPROM (用于存儲溫度變化時的校準數據)和內部溫度傳感器(用于測量環境溫度)。數字電位器按照測量溫度在查找表中檢索到對應的數值，調整可變電阻。基于溫度查找表的數字電位器通常用來修正電路元件的非線性溫度響應，如激光二極管或光電二極管；也可以根據應用需要，有意建立一個非線性電阻的溫度響應。

非易失存儲器是數字電位器中引入的比較常見的低成本功能電路，標準的基于EEPROM的非易失(NV)數字電位器在上電復位(POR)期間進入一個已知狀態。EEPROM能夠確保50,000次的重復寫次數，相對于機械電位器，大大提高了系統的可靠性。一次性編程(OTP)數字電位器，如MAX5427/MAX5428/MAX5429，采用熔絲設置，永久保存默認的抽頭位置。與基于EEPROM的數字電位器一樣，POR后OTP數字電位器初始化到已知狀態。然而，OTP數字電位器的POR狀態一旦編程后不能重寫。所以，OTP很適合工廠編程或產品校準。熔絲永久性地設置OTP數字電位器的POR抽頭位置，無需鎖定抽頭位置。有些OTP數字電位器的抽頭在熔絲編程后可以調節；有些OTP數字電位器的抽頭位置則被永久性地設置，得到一個精確的、經過校準的電阻分壓器。一些數字電位器提供鎖定寄存器，或數字控制輸入，使數字電位器接口呈高阻態，避免不恰當的抽頭調整。EEPROM數字電位器的寫保護功能還降低了功耗。

數字電位器可以在電源或其它需要工廠校準的系統中完成電壓和電流校準。與機械電位器或分離電阻等費時且不精確的手動校準相比，數字電位器有助于提高制造商的生產能力，改善校準精度和重復性指標。另外，數控電位器便于遠程調試和重新校準。需要校準多個電壓和/或電流時，使用DS3904/DS3905等三路NV數字電位器非常理想(圖2)。這種情況下，一個小體積數字電位器可以代替三個機械電位器。用數字電位器替代機械電位器還有助于提高電路布局的靈活性，因為數字電位器不需要在安裝或維護期間進行機械調整。校準是OTP或EEPROM寫保護功能的典型應用，其中EEPROM寫保護更有利于設計。


圖2. DS3904/DS3905三路非易失數字電位器，可理想用于需要校準多路電壓/電流的系統。這款小尺寸IC可以替代3個機械電位器。

雖然不是數字電位器，DS4303等具有簡單的單線數字控制接口的采樣/保持電壓基準也能用于產品校準(圖3)。緊湊的設計非常符合校準的需求，電壓基準輸出在被控制信號鎖定之前取決于輸入電壓，輸出鎖定后，除非重新編程或掉電，否則輸出將不再發生變化，與輸入電壓無關。最新產品把鎖定后的輸出電壓存儲在EEPROM中，電源上電后可重新恢復。


圖3. 非易失采樣/保持電壓基準DS4303，雖然不是數字電位器，但可理想用于產品校準。校準時，在被控制信號(ADJ)鎖定之前，DS4303輸出(VOUT)取決于輸入電壓(VIN)。

改進后的按鍵接口是傳統接口(如SPI?、I2C、增/減和旋轉控制)的補充。帶有緩沖輸出的數字電位器MAX5486使用了這種接口。這種經過去抖的按鍵接口基于按鍵按下的時間，用變化的速度控制抽頭動作。按鍵接口不需要微控制器，降低了系統設計的復雜度。去抖動按鍵接口對于音量控制尤其重要。

針對音頻應用設計的數字電位器通常提供過零檢測電路，過零檢測可以抑制抽頭從一個位置跳變到另一個位置時的可聞噪聲。該功能使能后，過零檢測電路將抽頭動作推遲到VL接近VH時。很多過零檢測電路還提供最大抽頭變化的延遲，方便直流調節及其它特定電路。

結論

簡單的易失性數字電位器在系統設計中仍然實用，而針對特殊應用設計的數字電位器和可變電阻提供了更多的功能。目前，很多設計者希望替換機械電位器，提高系統的可靠性和在整個工作溫度范圍內的性能，省去系統微處理器，或抑制咔嗒/噼噗聲。對于這些需求，數字電位器充分展現它的優勢，數字電位器的應用越來越普遍。