数字电位器与机械电位器技术性能大比拼

表1：机械电位器的材料对比

　　

　　数字电位器
　　ADI公司提供最宽的阻值可选范围：1k至1M。
　　电阻容许误差之前为±20%，但现在已经有所下降。ADI公司目前提供容许误差为±8%的电阻，或经校准后容许误差为±1%的精密电阻。
　　另外，具有非易失性EEPROM的数字电位器通常可存储容许误差，这些误差可通过控制器读回，并被用于校正外部电阻。
　　任意给定代码下的温度依赖性和温度系数，都取决于两个因素：电阻元件和开关电阻。开关电阻较小，但在较低代码处，所选择的电阻也很小时，由于阻值非常接近，开关电阻变得很明显。开关电阻的温度系数所影响到的代码数，直接取决于标称电阻值，该区域的典型温度系数约为600 ppm/°C.
　　电阻元件所采用的主要材料有两种：多晶硅或薄膜金属。
　　多晶硅是一种常用材料，它与石墨类似，对于温度的依赖性非常高，温度系数高达600 ppm/°C.薄膜金属电阻的温度系数则较低，大约为35 ppm/°C.ADI公司数据手册中给出了任意给定代码下的温度系数图表。
　　由于尺寸较小，数字电位器的功耗也很小，在数十毫瓦以内。与机械电位器相比，在所有温度范围内，该功率保持恒定。数字电位器最大端电压由供电轨来限定。就不同的数字电位器而言，其电压范围可从2.3V至33V.但是，任何情况下，最大电流通常都不会超过几毫安。

　　附加技术规格

　　使用数字电位器时，开关会引入一些与机械电位器不相关的技术规格。
　　由于开关中存在寄生电容，所以有带宽限制。这也就决定了，在游标内，可穿过电阻端的最大信号频率的衰减量小于3dB.该传递公式与低通滤波器相似。
　　电容与所选择的标称电阻无关，而仅仅取决于内部开关设计。因此，使用较低的标称电阻值可获得较高的带宽。表2为一个示例。

　　表2 AD8400最大频率和标称电阻

　　

　　游标电阻的非线性度会增加谐波失真程度。总谐波失真（THD）衡量信号在通过电阻后所下降的程度。图5显示了一个放大的图示。

　　

　　图5. THD效应

　　例如，如果总谐波失真（THD）为-80 dB，则信号下降程度为10-80/20 = 0.1 mV/VIN，因此如果信号为1 V p-p，则总信号失真为0.1 mV × 2 = 0.2 mV.
　　数字电位器的总谐波失真范围为-60 dB到-106 dB，是音频应用的理想选择。
　　非易失

　　有些应用要求数字电位器具备非易失存储功能，两种类型的器件（易失和非易失存储器）在市场上都很普及。非易失数字电位器更接近于机械电位器，它能够在不同的外部条件（是否有外部电源供电）下保持阻值。
　　音频设备需要内部储存音量设置，设备重新上电时要求电位器保持相同的电阻值，即使在电源完全关闭的情况下。
　　MAX5427/MAX5428/MAX5429系列数字电位器提供独特的编程功能。这些器件为具有一次性编程（OTP）存储器，将电位器抽头的上电复位（POR）位置设置在用户定义的数值（抽头位置保持可调，但重新上电后始终返回到固定的设置位置）。此外，OTP还可以禁止接口通信，将抽头锁存到所要求的固定位置，避免进一步的调节。这种情况下，器件成为一个固定比值的电阻分压器，而非电位器。

　　音频设计考虑

　　电位器具有对数抽头和线性抽头，高保真音频设备的音量调节一般选用对数电位器，因为考虑到人耳的非线性滤波特性，对数抽头可以获得线性音量调节。目前，高集成度数字电位器可以在单芯片内集成六路独立的电位器，以支持多声道音频系统，例如：立体声、杜比环绕立体声系统。
　　音频应用中，特别是在数字电位器调节分辨率较低（32级）时，需要特别注意抽头级间变化过程。如果抽头不是在0V时发生变化，音频系统会产生喀嗒声和噼噗声（图6）。幸运的是，新一代数字电位器具有所谓的过零检测功能，能够在抽头跳变时降低音频噪声。内部过零和超时检测电路确保抽头在检测到过零（0V）信号或经过50ms延时（具体取决于首先发生的条件）后跳变。

　　

　　图6. 在0V电平切换时，音频喀嗒声和噼噗声的影响

　　除了上述数字电位器中的模拟电路外，每个数字电位器还包含一个数字接口。绝大多数电位器可通过传统的I²C或SPI™编程，有些则提供便利的上/下调节接口。

　　性能改善

　　与机械电位器相比，数字电位器还具备另一优势。数字电位器的调节抽头直接安装在电路板的信号通路，利用电子调节避免了复杂、昂贵的机械调节装置。数字电位器改善了噪声抑制指标，消除了机械电位器接口电缆的拾取噪声。
　　传统的数字电位器可直接替代机械电位器，具有相同的工作方式，无需过多的说明。但是，在一些特殊应用中，例如：低成本立体声音量控制，需要一些附加说明。对于音频这一特殊应用，一般要求工作在较宽的电压范围，以支持较宽的音频信号范围。一般选择对数抽头，抽头级数增加时，衰减分贝数随之增大，非常适合人耳的频响特性。有些器件具有静音功能，提供更大的衰减（例如：30dB）。