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透析數(shù)字電位計的規(guī)格與架構(gòu)
數(shù)字電位計(digiPOT)通常用于方便的調(diào)整傳感器的交流或直流電壓或電流輸出、電源供電、或其他需要某種類型校準的器件，比如定時、頻率、對比度、亮度、增益，以及失調(diào)調(diào)整。數(shù)字設(shè)置幾乎可以避免機械電位計相關(guān)的所有問題，比如物理尺寸、機械磨損、游標調(diào)定、電阻漂移，以及對振動、溫度和濕度敏感等問題，還可以消除因使用螺絲刀導(dǎo)致的布局不靈活問題。
digiPOT有兩種使用模式，即電位計模式或可變電阻器模式。圖1所示為電位計模式，此時有3個端子，信號通過A端和B端連接，W端(類似游標）則提供衰減的輸出電壓。當數(shù)字比率控制輸入為全零時，游標通常與B端連接。
圖1.電位計模式
游標硬連線至任一端時，電位計就變成了簡單的可變電阻器, 如圖2所示。可變電阻器模式時需要的外部引腳更少，因此尺寸更小。部分digiPOT只有可變電阻器模式。
圖2.可變電阻器模式
digiPOT電阻端的電流或電壓極性沒有限制，但是交流信號的幅度不能超過電源供電軌(VDD和VSS)器件在可變電阻器模式，尤其是低電阻設(shè)置狀態(tài)下工作時，zui大電流或電流密度, 應(yīng)加以限制。
典型應(yīng)用
信號衰減是電位計模式的固有特性，因為該器件本質(zhì)上屬于分壓器。輸出信號定義為: VOUT = VIN × (RDAC/RPOT), 其中 RPOT是digiPOT的標稱端對端電阻， RDAC是通過數(shù)字方式選擇的W端和輸入信號參考引腳之間的電阻，參考引腳通常為B端，如圖3所示。
圖3.信號衰減器
信號放大需要有源器件，通常是反相或同相放大器。通過適當?shù)脑鲆婀剑娢挥嬆Ｊ交蚩勺冸娮杵髂Ｊ骄墒褂谩?nbsp;
圖4顯示的是同相放大器，此時digiPOT相當于電位計，可通過反饋調(diào)整增益。由于部分輸出會反饋, RAW/(RWB + RAW),應(yīng)等于輸入，理想增益為：
圖4.電位計模式中的同相放大器
該電路的增益與RAW, 成反比RAW接近零時會迅速上升，顯示出雙曲線傳遞函數(shù)特性。為了限制zui大增益，可插入一個電阻與RAW（位于增益公式的分母內(nèi)）串聯(lián)
如果需要線性增益關(guān)系，可以采用可變電阻器模式以及固定外部電阻，如圖5所示，增益現(xiàn)定義如下：
圖5.可變電阻器模式中的同相放大器
將低電容端（器件中為W引腳）連接至運算放大器輸入可獲得*性能。
digiPOT用于信號放大的優(yōu)勢
圖4和圖5所示的電路具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，可工作于單極性和雙極性信號。digiPOT可用于游標操作，采用固定外部電阻在更小的范圍內(nèi)提供更高的分辨率，還可用于運算放大器電路，信號有無反轉(zhuǎn)均可。此外，digiPOT的溫度系數(shù)較低，電位計模式時通常為5 ppm/°C，可變電阻器模式時則為35 ppm/°C。
digiPOT用于信號放大的限制
處理交流信號時，digiPOT的性能受帶寬和失真的限制。受寄生器件影響，帶寬是指在小于3 dB衰減時能夠通過digiPOT的zui大頻率。總諧波失真 (THD)（此處定義為后四個諧波的rms之和與輸出基波值的比值）是信號通過器件時衰減的量度。這些規(guī)格涉及的性能限制由內(nèi)部digiPOT架構(gòu)決定。通過分析，我們可以更好地全面了解這些規(guī)格，減少其負面
內(nèi)部架構(gòu)已從傳統(tǒng)的串聯(lián)電阻陣列（如圖6a所示）發(fā)展至分段式架構(gòu)（如圖6b所示）。主要的改進是減少了所需內(nèi)部開關(guān)的數(shù)量。*種情況采用串行拓撲結(jié)構(gòu)，開關(guān)數(shù)量為N = 2n是分辨率的位數(shù)。 n = 10, 時，需要1024個開關(guān)
專有（）分段式架構(gòu)采用級聯(lián)連接，可以zui大限度地減少開關(guān)總數(shù)。圖6b的例子顯示的是兩段式架構(gòu)，由兩種類型的模塊組成，即左側(cè)的MSB和右側(cè)的LSB。
左側(cè)上下模塊是一串用于粗調(diào)位數(shù)的開關(guān)（MSB段）。右側(cè)模塊是一串用于精調(diào)位數(shù)的開關(guān)（LSB段）。MSB開關(guān)粗調(diào)后接近RA/RB比。LSB串的總電阻等于MSB串中的單個阻性元件，LSB開關(guān)可對主開關(guān)串上的任一點進行比率精調(diào)。A和B MSB開關(guān)為互補碼。
分段式架構(gòu)的開關(guān)數(shù)量為:
N = 2m+1 + 2n–m,
其中n是總位數(shù)，m是MSB字的分辨率位數(shù)。例如n = 10 and m = 5, 則需要96個開關(guān)。
分段式方案需要的開關(guān)數(shù)少于傳統(tǒng)開關(guān)串:
兩者相差的開關(guān)數(shù) = 2n – (2m+1 + 2n–m)
在該例中，節(jié)省的數(shù)量為
1024 – 96 = 928!
兩種架構(gòu)都必須選擇不同電阻值的開關(guān)，充分考慮到模擬開關(guān)中的交流誤差源。這些CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）開關(guān)由并行P溝道和N溝道MOSFET構(gòu)成。這種基本雙向開關(guān)可以保持相當恒定的電阻(RON) 信號可達完整的供電軌。
帶寬
圖7顯示的是影響CMOS開關(guān)交流性能的寄生器件。
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圖7.CMOS開關(guān)模式
CDS = 漏極-源級電容; CD= 漏極-柵級 + 漏極-體電容; CS= 源級-柵級 + 源級-體電容
傳遞關(guān)系如以下公式定義，其中包含的假設(shè)為:
●源阻抗為 0Ω
●無外部負載影響
●無來自CDS的影響
●RLSB << RMSB
其中
RDAC是設(shè)定電阻
RPOT是端對端電阻
CDLSB是LSB段的總漏極-柵級 + 漏極-體電容
CSLSB是LSB段的總源級-柵級 + 源級-體電容
CDMSB是MSB開關(guān)的漏極-柵級 + 漏極-體電容
CSMSB是MSB開關(guān)的源級-柵級 + 源級-體電容
moff是信號MSB路徑的斷開開關(guān)數(shù)量
mon是信號MSB路徑的接通開關(guān)數(shù)量
傳遞公式受各種因素影響，與代碼存在一定關(guān)聯(lián)，因此我們采用以下額外假設(shè)來簡化公式
CDMSB + CSMSB = CDSMSB
CDLSB + CSLSB >> CDSMSB
(CDLSB + CSLSB) = CW (詳見數(shù)據(jù)手冊)