提高數(shù)字定位器的帶寬的方法
數(shù)字電位器可廣泛用于控制或調(diào)整電路參數(shù)。由于數(shù)字電位器本身帶寬的限制.只能用于直流或低頻應(yīng)用。其典型一3 dB帶寬在100 kHz至幾MHz內(nèi),具體數(shù)值與型號有關(guān)。然而,通過采用下面介紹的簡單方法,可以將電位器的信號帶寬從10倍提高到100倍,可以獲得4 MHz的O.1 dB帶寬以及25 MHz以上的一3 dB帶寬。這樣可使數(shù)字電位器用于視頻或其他高速應(yīng)用領(lǐng)域。
2 有限的調(diào)整范圍
在許多應(yīng)用中,數(shù)字電位器用于信號微調(diào),而無需從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)整范圍來提高數(shù)字電位器的帶寬。 字串1
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衰減。
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需要說明的是:由于該電路采用運(yùn)算放大器,可用于信號放大和衰減。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。
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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 字串7
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。
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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步長的10 kΩ電位器的典型電容值為3~10 DF。
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*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倍對于視頻等應(yīng)用,這些帶寬還是過低。 字串8
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。 字串4
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。 字串1
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(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,使用步長數(shù)多于該電路要求的電位器。例如,32步長電位器獲得10%的調(diào)整范圍,按照上述介紹,可以選擇替換這一步長的電位器,而使用256步長電位器,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步長的電位器;由于有限的編碼將可用步長數(shù)限制在26,即10%的調(diào)整范圍,僅用了256步長的10%。 字串5
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