Как улучшить характеристики цифровых потенциометров в режиме переменного сигнала

Цифровые потенциометры обеспечивают удобный способ регулировки переменного или постоянного напряжения или тока на выходе датчиков, источников питания и других устройств, в которых требуется разного рода калибровка, например, регулировка временной задержки, частоты, контрастности, усиления, смещения и т.д. Цифровая подстройка позволяет избежать практически всех проблем, связанных с механическими потенциометрами (большие габариты, механический износ, загрязнение движка (щеток), дрейф сопротивления, чувствительность к вибрации, температуре и влажности).
Цифровые потенциометры можно использовать в двух различных режимах: потенциометрическом и реостатном. В потенциометрическом режиме, показанном на рисунке 1, доступны три вывода: сигнал подключается к выводам A и B, а вывод W (движок) служит для ослабления выходного напряжения. Когда на входе цифровой регулировки соотношения присутствуют все нули, то движок обычно находится в положении контакта с выводом B.
Когда движок постоянно подсоединен к одному из контактов, потенциометр становится простым переменным резистором или реостатом, как показано на рисунке 2. Реостатный режим позволяет создать более компактную конструкцию, т.к. требуется меньше внешних выводов. Некоторые цифровые потенциометры доступны только в качестве реостатов.
Для цифровых потенциометров нет каких-либо ограничений на полярность токов и напряжений на его контактах, но амплитуда переменных сигналов не может превышать напряжения на выводах источника питания (V_DD и V_SS), а максимальный ток, или плотность тока, должен быть ограничен, когда устройство работает в реостатном режиме, особенно при малых сопротивлениях.

В потенциометрическом режиме наблюдается ослабление сигнала для таких устройств как делитель напряжения. Выходной сигнал определяется из выражения: V_OUT = V_IN·(R_DAC/R_POT), где R_POT — номинальное сопротивление цифрового потенциометра, а R_DAC — выбранное цифровым способом сопротивление между выводом W и опорным выводом входного сигнала, которым, как правило, служит вывод B (см. рис. 3).
Усиление сигнала требует применения активных компонентов, обычно инвертирующего или неинвертирующего усилителя. Можно использовать либо потенциометрический, либо реостатный режим включения, для каждого из которых предусмотрено соответствующее выражение для коэффициента усиления.

Рис. 1. Потенциометрический режим	Рис. 2. Реостатный режим
Рис. 3. Ослабление сигнала	Рис. 4. Неинвертирующий усилитель в потенциометрическом режиме

На рисунке 4 показан неинвертирующий усилитель, использующий цифровой потенциометр для регулировки коэффициента усиления через обратную связь. Поскольку доля напряжения, передаваемая через обратную связь на выход, т.е. R_AW/(R_WB + R_AW), должна быть равна входному напряжению, идеальный коэффициент усиления будет равен:

.

В такой схеме значение коэффициента усиления, обратно пропорционального R_AW, возрастает при приближении R_AW к нулю, тем самым формируя гиперболическую передаточную функцию. Чтобы ограничить максимальный коэффициент усиления, нужно включить резистор последовательно с R_AW (и подставить его в знаменатель дроби уравнения для коэффициента усиления).
Если нужно обеспечить линейную зависимость коэффициента усиления, то можно использовать реостатный режим совместно с постоянным резистором, как показано на рисунке 5. Коэффициент усиления в этом случае определяется выражением:

.

Для достижения наилучших характеристик нужно подключить вывод с меньшей емкостью (вывод W в современных устройствах) ко входу операционного усилителя.

Преимущества цифровых потенциометров в схемах усиления сигнала
Схемы, показанные на рисунках 4 и 5, имеют высокий входной и низкий выходной импеданс и могут работать с однополярными и биполярными сигналами. Цифровые потенциометры можно использовать в качестве верньера, чтобы повысить разрешение при регулировке напряжения в более узком диапазоне, а также в схемах на операционных усилителях как с инверсией, так и без инверсии сигнала. Кроме того, они имеют низкие температурные коэффициенты — обычно 5 ppm/°C в потенциометрическом режиме и 35 ppm/°C — в реостатном.

Рис. 5. Неинвертирующий усилитель в реостатном режиме

При работе с переменным сигналом характеристики цифровых потенциометров ограничены по полосе пропускания и искажениям. Полоса пропускания — это максимальная частота, которую можно передать через цифровой потенциометр с ослаблением не более 3 дБ, вызванным влиянием паразитных компонентов. Общие гармонические искажения (THD), которые определяются в данном случае как отношение среднеквадратичной суммы ближайших четырех гармоник к фундаментальной частоте выходного сигнала, представляют собой показатель, который отражает искажения сигнала, когда он проходит через устройство. Ограничения, связанные с этими параметрами, определяются внутренней архитектурой цифровых потенциометров. Полезно проанализировать эти параметры, чтобы снизить их негативное влияние на характеристики схемы.
Внутренняя архитектура цифровых потенциометров прошла эволюцию от классической матрицы последовательно включенных резисторов до сегментированной конфигурации резисторов (см. рис. 6).

Рис. 6. Архитектура цифровых потенциометров: а) обычная матрица последовательно включенных резисторов; б) сегментированная архитектура

 Основным преимуществом сегментированной архитектуры является уменьшенное число требуемых встроенных ключей. В случае последовательной конфигурации число ключей N = 2ⁿ, где n — разрешение в битах. При n = 10 требуется 1024 ключа.
В патентованной сегментированной архитектуре используется каскадное соединение резисторов, которое позволяет минимизировать число ключей. Пример на рисунке 6б показывает двухсегментную архитектуру, сформированную двумя типами блоков: MSB — в левой стороне рисунка и LSB — справа.
Верхний и нижний блоки в левой
стороне схемы представляют собой цепочки ключей для старших битов (сегмент MSB). Блок справа — это цепочка ключей для младших битов (сегмент LSB). Ключи MSB обеспечивают грубое приближение отношения RA/RB. Поскольку общее сопротивление цепочки LSB равно одному резистивному элементу в цепочках MSB, ключи LSB обеспечивают точную установку этого отношения в любой точке основной цепочки. Ключи A и B сегмента MSB работают в комплементарном режиме.
Число ключей в сегментированной архитектуре равно:

N = 2^{m + 1} + 2^{n – m},

где n — общее число бит, а m — число бит разрешения в слове MSB. Например, если n = 10, а m = 5, то потребуется 96 ключей.
Сегментированная конфигурация требует меньше ключей, чем обычная цепочка. Разница составляет 2ⁿ – (2^{m + 1} + 2^{n – m}). В приведенном примере экономия составила бы: 1024 – 96 = 928!
В обеих архитектурах ключи отвечают за выбор величины сопротивления, поэтому важно проанализировать источники ошибок по переменному току в аналоговом ключе. Эти КМОП-ключи содержат параллельно включенные p- и n-канальные MOSFET. Такой двунаправленный ключ поддерживает постоянное сопротивление во включенном состоянии R_ON для всех амплитуд сигналов вплоть до полного размаха питания.

Рис. 7. Модель КМОП-ключа (CDS — емкость сток-исток; CD — емкость сток-затвор + сток-подложка; CS — емкость исток-затвор + исток-подложка)

На рисунке 7 показаны паразитные компоненты, которые влияют на характеристики КМОП-ключей в режиме переменного сигнала. Передаточная характеристика определяется уравнением, приведенным выше, при следующих допущениях:
– импеданс истока составляет 0 Ом;
– отсутствует взаимодействие внешних нагрузок;
– отсутствует влияние емкости CDS;
– R_LSB << R_MSB.

В этом уравнении R_DAC — установленное сопротивление; R_POT — номинальное сопротивление потенциометра; C_DLSB — общая емкость сток-затвор + сток-подложка в сегменте LSB; CSLSB — общая емкость исток-затвор + исток-подложка в сегменте LSB; C_DMSB — общая емкость сток-затвор + сток-подложка в сегменте MSB; C_SMSB — общая емкость исток-затвор + исток-подложка в сегменте MSB; moff — число ключей в состоянии «выключено» в сигнальном канале сегмента MSB; mon — число ключей в состоянии «включено» в сигнальном канале сегмента MSB.
Уравнение передаточной характеристики содержит множество переменных и в некоторой степени зависит от кода, поэтому для упрощения этого выражения используются следующие допущения:

C_DMSB + C_SMSB = C_DSMSB,

_DLSB + C_SLSB >> CDSMSB,

(C_DLSB + CSLSB) = CW
(определенное в документации).

Емкость C_DS добавляет нуль в передаточную характеристику, но поскольку он появляется обычно на значительно более высокой частоте, чем полюс, то доминирующей является характеристика RC-фильтра нижних частот. Хорошую аппроксимацию этого сложного уравнения дает следующее более простое выражение:

,

а полоса пропускания BW определяется как:

,

где C_L — емкость нагрузки.
Полоса пропускания BW зависит от кода, и наихудшим случаем является тот, когда код соответствует половине шкалы, т.е. для цифрового потенциометра типа AD5292 от Analog Devices это 2⁹ = 512, а для AD5291 — 2⁷ = 128. На рисунке 8 показан эффект фильтрации нижних частот в зависимости от кода для различных номинальных значений сопротивлений и емкостей нагрузки.

Рис. 8. Максимальная полоса пропускания в зависимости от емкости нагрузки для различных сопротивлений

Следует учитывать паразитную емкость проводника печатной платы, в противном случае полоса пропускания будет ниже, чем ожидалось. Емкость проводника можно рассчитать по формуле:

,

где ε_r — диэлектрическая постоянная материала печатной платы; A — площадь проводника, см²; d — расстояние между слоями, см.
Например, для материала печатной платы типа FR4 с двумя сигнальными слоями и шинами питания и земли (ε_r = 4) при длине проводника 3 см, ширине 1,2 мм и расстоянии между слоями 0,3 мм, общая емкость проводника составит 4 пФ.

Для определения нелинейности устройства, используемого в качестве аттенюатора, служит коэффициент общих гармонических искажений (THD). Эти искажения обусловлены внутренними ключами и изменением их сопротивлений в открытом состоянии R_ON при изменении напряжения. На рисунке 9 показан пример искажений по амплитуде.
Сопротивление ключа R_ON весьма мало по сравнению с сопротивлением одного внутреннего пассивного резистора, а отклонения его величины в диапазоне изменения амплитуды сигнала еще меньше. На рисунке 10 показана типовая характеристика сопротивления R_ON.

Рис. 9. Пример искажений по амплитуде

Рис. 10. Сопротивление КМОП-ключа

Сопротивление ключа в открытом состоянии зависит от напряжения питания, внутренние ключи имеют наименьший разброс R_ON при максимальном питающем напряжении. При уменьшении напряжения питания отклонение R_ON и, следовательно, нелинейность, возрастают. На рисунке 11 сравнивается изменение R_ON при двух питающих напряжениях для низковольтного цифрового потенциометра.

Рис. 11. Изменение сопротивления ключа в зависимости от напряжения питания

Коэффициент общих гармонических искажений зависит от множества факторов, и поэтому его трудно определять количественно, но если принять 10-% допустимое отклонение сопротивления R_ON, то для грубой оценки можно использовать следующее выражение:

.

Как правило, чем выше номинальное сопротивление цифрового потенциометра R_POT, тем меньше THD, поскольку в формуле для THD величина в знаменателе дроби возрастает.

Искажения и полоса пропускания уменьшаются при увеличении R_POT, по­этому нельзя улучшить одну характеристику без ухудшения другой, следовательно, разработчик должен найти необходимый баланс этих параметров. Это также верно и на уровне устройства, т.к. разработчик микросхемы должен сбалансировать параметры в расчетных уравнениях:

,.

C = C_OX·W·L,

где C_OX — емкость окисла, µ — постоянная подвижности для электрона (nМОП) или дырки (pМОП), W — ширина затвора, L — длина затвора.

На практике следует оптимальным образом использовать эти характеристики. В случае если цифровой потенциометр применяют для ослабления переменного сигнала с помощью емкостной связи, наименьший уровень искажений достигается, когда сигнал смещается в среднюю точку шкалы изменения напряжения питания. Это означает, что ключи должны работать в максимально линейной части вольт-амперной характеристики.
Одним из способов реализации такого подхода является использование двуполярного питания и простого соединения земли потенциометра с общим выводом источника питания. Другим способом, который применяется, когда необходимо использовать однополярное питание, или когда данный цифровой потенциометр не поддерживает двуполярного питания, является добавление постоянного напряжения смещения величиной V_DD/2 к переменному сигналу. Это напряжение смещения необходимо подать на оба вывода резистора, как показано на рисунке 12.

Рис. 12. Формирование переменного сигнала с использованием однополярного питания

Рис. 13. Регулировка усиления на инвертирующем усилителе с помощью цифрового потенциометра

Когда требуется усиление сигнала, то вместо неинвертирующего усилителя отдают предпочтение инвертирующему усилителю с двуполярным питанием (см. рис. 13), по двум причинам:
– в этом варианте меньше уровень общих гармонических искажений, поскольку виртуальная земля на инвертирующем выводе усилителя будет устанавливать сопротивление ключа в среднюю точку диапазона напряжений;
– поскольку инвертирующий вывод подключен к виртуальной земле, емкость движка потенциометра _DLSB практически обнуляется, что позволяет слегка увеличить полосу пропускания; но в этом случае необходимо следить за стабильностью схемы.