簡介

　　自電子電路的早期階段開始，電位器就得到了廣泛的使用，使用它可方便地校正系統(tǒng)、調(diào)節(jié)放大器內(nèi)的偏移電壓或增益、調(diào)諧濾波器以及控制屏幕亮度等。機(jī)械電位器本身存在一些固有的局限性，比如：尺寸大小、機(jī)械磨損、游標(biāo)污染、電阻漂移、對振動和濕度敏感以及布局缺乏靈活性，這一切都是由其物理結(jié)構(gòu)所決定的。

　　數(shù)字電位器旨在解決所有上述問題，提供更高的可靠性和，電壓毛刺更小。目前，只有在數(shù)字電位器不適用的環(huán)境中（比如：高溫環(huán)境或大功率應(yīng)用場合），才會使用機(jī)械電位器。

　　將兩種技術(shù)進(jìn)行對比是辨別系統(tǒng)解決方案的簡單方法。

　　結(jié)構(gòu)

　　機(jī)械電位器

　　機(jī)械電位器由一個很大的電阻元件組成，在外部通過兩個端子相連接。電阻元件的形式多種多樣，根據(jù)所采用的技術(shù)，其封裝方法也不同?？梢詾閱稳蚨嗳?，或者簡單的扁平型封裝。

　　第三個端子也稱為游標(biāo)，它可在整個電阻元件上移動，來選擇每個外部端子與游標(biāo)之間的電阻大小。在游標(biāo)和電阻元件之間存在著較小的接觸電阻，通常稱之為游標(biāo)電阻（如圖1所示）。

圖1. 機(jī)械電位器

　　數(shù)字電位器

　　數(shù)字電位器由一個電阻元件陣列組成，該陣列的終端通過兩個端子（A和B）與外部相連。在兩個無源電阻的結(jié)點(diǎn)處，有一個開關(guān)。這些開關(guān)通過與外部端子（稱之為游標(biāo)或W）結(jié)合的單個觸點(diǎn)互相連接（如圖2所示）。

圖2. 數(shù)字電位器

　　由于這些開關(guān)通過互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）加工工藝設(shè)計(jì)而成，因此允許電流以任意方向流動。這些開關(guān)由一個數(shù)字模塊控制，并且只能接通一個開關(guān)。通過與機(jī)械電位器進(jìn)行類比，寄生開關(guān)電阻也可稱為游標(biāo)電阻。

　　結(jié)構(gòu)綜述

　　機(jī)械電位器更容易受到物理環(huán)境變化（比如：振動、沖擊和游標(biāo)污染）的影響，這一切都是由其物理結(jié)構(gòu)所決定的。而擁有整體結(jié)構(gòu)的數(shù)字電位器，在所有上述情況下，都不會受到影響。

　　調(diào)節(jié)

　　機(jī)械電位器

　　從理論上來說，由于游標(biāo)可在整個電阻上移動，因此，機(jī)械電位器可提供無限的分辨率；但是調(diào)節(jié)電阻時(shí)所形成的各物理因素（比如：螺絲刀壓力或材料間的摩擦）會使下降，這樣就會造成電阻的終值準(zhǔn)確度較低。

　　需要注意的是，重新調(diào)節(jié)的次數(shù)或平均故障間隔時(shí)間（MTBF），通常都不超過幾千次。

　　數(shù)字電位器

　　游標(biāo)位置取決于RDAC寄存器中的內(nèi)容，在寄存器中寫入內(nèi)容的次數(shù)沒有限制。如圖3和圖4所示，使用SPI、I2C或up/down等數(shù)字接口、手動使用按鈕開關(guān)或數(shù)字編碼器，都可將內(nèi)容寫入RDAC寄存器。

圖3. 按鈕接口

圖4 使用數(shù)字編碼器控制Up/Down接口

　　數(shù)字電位器類似于機(jī)械電位器，如果事先對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，則在上電時(shí)，它可儲存RDAC代碼。ADI公司的數(shù)字電位器提供三種不同的存儲器技術(shù)：熔絲、EEPROM、易失性數(shù)字電位器 .

　　熔絲

　　類似于在機(jī)械電位器上放置環(huán)氧樹脂，熔絲對于只需設(shè)定的系統(tǒng)校準(zhǔn)來說是理想之選。ADI公司提供1到50次的可編程熔絲存儲器。

　　EEPROM

　　EEPROM耐久性達(dá)100萬周期，數(shù)據(jù)保存期限100年，對于需保留近編程值（如：音量控制應(yīng)用）的系統(tǒng)來說，EEPROM是理想的選擇。

　　易失性

　　RDAC寄存器默認(rèn)在中間電平時(shí)加載，如果電源斷開則無法保持該電阻大小。動態(tài)系統(tǒng)會持續(xù)重新校準(zhǔn)輸出，因此易失性數(shù)字電位器是此類系統(tǒng)的理想之選。它無需恢復(fù)之前的數(shù)值，或者也可以在上電/復(fù)位時(shí)，用控制器來設(shè)置數(shù)值。

　　5.電阻元件

　　機(jī)械電位器

　　由于電阻元件采用的可能是各種不同的材料（比如：金屬陶瓷、石墨或?qū)щ娝芰希?，因此，電阻的大小就可能為?shù)十歐乃至兆歐，在額定誤差范圍內(nèi)得到保證。

　　該誤差被稱為電阻容許誤差，根據(jù)電位器材料的質(zhì)量和所采用的不同工藝，它會上下波動。典型值范圍在±30%和±10%之間，更高品質(zhì)電位器的誤差可低至±3%.

　　另外一種誤差是由于電阻元件的溫度所造成的。該種依賴性可大可小，它取決于材料。終電阻值會隨溫度而成比例變化。該誤差被稱之為溫度系數(shù)或TempCo.

　　線繞電阻等較新材料的溫度系數(shù)可低至10 ppm/°C.而舊的機(jī)械電位器所采用的材料為石墨，但其溫度依賴性高達(dá)500 ppm/°C.

　　存在一些與材料相關(guān)的限制（比如：功耗，可小至幾毫瓦，大至數(shù)百瓦）。無論情況如何，電阻終端之間的電壓都與功率成正比。該電壓大小可為數(shù)十伏，也可為數(shù)百伏，甚至上千伏。

　　一般而言，機(jī)械電位器中電壓和電流的額定值雖然較高，但它們與環(huán)境溫度成反比例關(guān)系。設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)基于終應(yīng)用中的預(yù)期溫度來驗(yàn)證電位器是否能夠處理估計(jì)功率。

　　表1顯示的是機(jī)械電位器（根據(jù)所使用的材料進(jìn)行分類）的所有特性，以供快速參考。

表1：機(jī)械電位器的材料對比

　　數(shù)字電位器

　　ADI公司提供寬的阻值可選范圍：1k至1M。

　　電阻容許誤差之前為±20%,但現(xiàn)在已經(jīng)有所下降。ADI公司目前提供容許誤差為±8%的電阻，或經(jīng)校準(zhǔn)后容許誤差為±1%的精密電阻。

　　另外，具有非易失性EEPROM的數(shù)字電位器通?？纱鎯θ菰S誤差，這些誤差可通過控制器讀回，并被用于校正外部電阻。

　　任意給定代碼下的溫度依賴性和溫度系數(shù)，都取決于兩個因素：電阻元件和開關(guān)電阻。開關(guān)電阻較小，但在較低代碼處，所選擇的電阻也很小時(shí)，由于阻值非常接近，開關(guān)電阻變得很明顯。開關(guān)電阻的溫度系數(shù)所影響到的代碼數(shù)，直接取決于標(biāo)稱電阻值，該區(qū)域的典型溫度系數(shù)約為600 ppm/°C.

　　電阻元件所采用的主要材料有兩種：多晶硅或薄膜金屬。

　　多晶硅是一種常用材料，它與石墨類似，對于溫度的依賴性非常高，溫度系數(shù)高達(dá)600 ppm/°C.薄膜金屬電阻的溫度系數(shù)則較低，大約為35 ppm/°C.ADI公司數(shù)據(jù)手冊中給出了任意給定代碼下的溫度系數(shù)圖表。

　　由于尺寸較小，數(shù)字電位器的功耗也很小，在數(shù)十毫瓦以內(nèi)。與機(jī)械電位器相比，在所有溫度范圍內(nèi)，該功率保持恒定。數(shù)字電位器端電壓由供電軌來限定。就不同的數(shù)字電位器而言，其電壓范圍可從2.3V至33V.但是，任何情況下，電流通常都不會超過幾毫安。

　　附加技術(shù)規(guī)格

　　使用數(shù)字電位器時(shí)，開關(guān)會引入一些與機(jī)械電位器不相關(guān)的技術(shù)規(guī)格。

　　由于開關(guān)中存在寄生電容，所以有帶寬限制。這也就決定了，在游標(biāo)內(nèi)，可穿過電阻端的信號頻率的衰減量小于3dB.該傳遞公式與低通濾波器相似。

　　電容與所選擇的標(biāo)稱電阻無關(guān)，而僅僅取決于內(nèi)部開關(guān)設(shè)計(jì)。因此，使用較低的標(biāo)稱電阻值可獲得較高的帶寬。表2為一個示例。

表2 AD8400頻率和標(biāo)稱電阻

　　游標(biāo)電阻的非線性度會增加諧波失真程度?？傊C波失真（THD）衡量信號在通過電阻后所下降的程度。圖5顯示了一個放大的圖示。

圖5. THD效應(yīng)

　　例如，如果總諧波失真（THD）為-80 dB,則信號下降程度為10^-80/20 = 0.1 mV/VIN,因此如果信號為1 V p-p,則總信號失真為0.1 mV × 2 = 0.2 mV.

　　數(shù)字電位器的總諧波失真范圍為-60 dB到-106 dB,是音頻應(yīng)用的理想選擇。