数字电位器

怎样将数字电位器的带宽从10倍提高到100倍

摘要：本文介绍了一种简单电路，能够将数字电位器的带宽从10倍提高到100倍。利用这一方法，数字电位器可以用于视频带宽的高频应用。

数字电位器(digital pot或digipot)被广泛用于控制或调整电路参数。一般而言，由于数字电位器本身的带宽限制，它只能用于直流或低频应用。其典型的-3dB带宽在 100kHz至几MHz内，具体与型号有关。然而，通过使用下面介绍的简单方法，可以将电位器的信号带宽从10倍提高到100倍，获得4MHz的 0.1dB带宽以及25MHz以上的-3dB 带宽。采用这一方法，数字电位器可用于视频或其他高速应用。

有限的调整范围

该方法利用了这一事实——在很多数字电位器应用中，电位器用于对信号进行微调，并不需要从0%到100%的满量程调整，例如：一次性工厂校准等。在这些例子中，数字电位器一般提供10%以下的调整范围。我们正是借助这一有限的调整范围来提高数字电位器的带宽。

典型应用电路

典型的电位器电路配置如图1所示。这里，数字电位器用于改变信号的衰减量。R2为数字电位器，图中还标出了寄生电容(Cwiper)。该电容是所有数字电位器固有的，它限制了电路带宽。电位器在0至满量程之间摆动时，R1和R3用于限制由数字电位器引起的信号衰减。

图1. 典型的数字电位器电路配置

注：由于采用了运算放大器，该电路可以用于放大和衰减。当然，以下介绍的提高带宽的方法与所选择的电路拓扑无关。

为计算电路的传输函数(V

OUT /V

IN

)，可以使用不同模式的电位器—参见图2。图中，R2被

分成了R2top和R2bottom，其中，R2top是电位器触点以上的电阻，R2bottom是电位器触点以下的电阻。假设我们使用的电位器具有10kΩ的端到端电阻(忽略触点电阻的影响)，R2top和R2bottom相对于数字编码的理想传输函数如图3所示。下面介绍了传输函数的两个端点和中点：

(1)当电位器编码 = 0时，R2top = 10kΩ，R2bottom = 0kΩ

(2)当电位器编码 = 中间位置时，R2top = R2bottom = 5kΩ

(3)当电位器编码 = 满标位置时，R2top = 0kΩ，R2bottom = 10kΩ

图2. 数字电位器，R2分成了R2top和R2bottom

图3. 数字电位器的理想传输函数

从图4可以得出V

OUT /V

IN

的直流传输函数：

(4)V

OUT /V

IN

= (R3 + R2bottom)/(R1 + R2 + R3)，其中R2 = R2top + R2bottom

图4. 典型数字电位器的电路配置，数字电位器采用新模型下面，让我们做一些假设：

假设

假设R2 = 10kΩ (常用的数字电位器电阻值)，如果希望把输入信号衰减到任意电平，例如，输入值的70% ±5% (输入值的65%到75%)。

然后，使用式(1)–(4)，可以看到有65%到75%的调整范围，标称值(中间位置)为70%：(5) R1 = 24.9kΩ并且R3 = 64.9kΩ

典型应用电路的带宽

利用式(5)的电阻值，假设Cwiper = 10pF，可以获得表1所列出的带宽。实际触点电容在3pF在80pF范围内，与触点电阻、步长数、所采用的IC工艺以及电位器体系结构等因素有关。3V 至5V供电、32至256步长的10kΩ电位器的典型电容值为3pF–10pF。

注意，本文分析基于的假设是：触点电容与电位器电阻并联，由此限制电位器的带宽。这种方法是最直接的电位器使用方式，如果采用更复杂的电位器配置，可能会进一步限制带宽。因此，下面对提高带宽的讨论非常有用，即使实际得到的带宽没有达到预期目的。

表1. 图1电路的带宽，采用式5电阻

*注意，带宽与触点电容成反比。例如，采用3pF Cwiper，带宽频率将提高3.3倍(即，10/3)。

对于视频等应用，这些带宽还是过低。

提高电路带宽

使用低电阻电位器

一种提高电路带宽最明显的方法是选择具有较低阻值的数字电位器，例如，1kΩ电位器，按比例调整R1和R2 (1kΩ电位器与10kΩ电位器相比，阻值减小10倍)。然而，低阻值数字电位器(1kΩ)一般占用较大的裸片面积，意味着较高的成本和较大的封装尺寸，出于这一原因，1kΩ电位器的实际应用非常有限。

如果某一电位器能够满足设计要求，上面提到的10kΩ电位器的带宽会随着电阻的减小而线性提高，例如，提高10倍(假设杂散触点电容没有变化)。

例如，使用1kΩ电位器，设置R1 = 2.49kΩ， R3 = 6.49kΩ，触点电容为10pF，电位器设在中间位置，可以获得1.15MHz的-0.1dB带宽，以及7.6MHz的-3dB带宽。这要比表1所列出的带宽提高10倍。

使用10kΩ电位器，改变电路拓扑

使用高精度电位器，限制编码范围

与1kΩ电位器相比，选择5kΩ和10kΩ电位器可能是更好的方案–可以获得更小封装的电位器，从中可以选择易失或非易失存储器，也有更多的数字接口选择 (up/down、I²C、SPI™)以及调整步长(32、64、128、256等)。出于这一原因，下面的设计实例选择了具有10kΩ端到端电阻的电位 器。

假设由于成本、体积、接口以及电位器调整步长等因素的限制，需要使用10kΩ端到端电阻电位器，这种情况下如何提高图1电路的带宽呢?

提高带宽的一种方法是去掉电阻R1和R3，使用步长数多于图1电路要求的电位器。例如，32步长电位器获得10%的调整范围，按照上述介绍，可以选择替换 这一步长的电位器，而使用256步长电位器，去掉R4和R6，限制电位器的调整范围在达到要求衰减的编码之内我们继续上面的设计目标，65%到75%。 这种方法在图5给 出了解释。所使用的编码是从0.65 × 256 ( = 166.4，使用166)到编码0.75 × 256 ( = 192)。这个例子中使用了一个256步长的电位器；由于有限的编码将可用步长数限制在26 (即，10%的调整范围，仅用了256步长的10%)。26步长可用范围对应于上例中的32步长范围。