如何利用DCP获得更精确的性能

数控电位器(DCP|0">DCP)在各种应用中深受欢迎，尤其在控制、参数调整、信号处理方面。数字电位器取代了机械电位器，并在很多方面体现出优势，如远程操作、可编程性、高分辨率、小型化、可靠性、能存储多个动触点位置，以及更低的系统成本。

　　当然，使用DCP进行设计时，也有一些限制需要考虑，比如受限的端电压以及精度。这些限制来自于多晶硅|0">多晶硅电阻的制造工艺以及在CMOS|0">CMOS集成电路中的集成工艺。

　　DCP是通过电阻的组合来实现的，电阻R通过串联连接着CMOS开关，如图1。

图1：DCP电阻阵列 　　电阻阵列的物理两端，即RH和RL端，等效于机械电位器的固定端。动触点RW通过CMOS开关一次一个地连接着中间节点，等效于机械电位器的动触点端。 　　多晶硅DCP的典型电阻精度为±20%，然而，相对精度或者是在特定的电阻阵列内的电阻匹配程度更高，通常为±1%甚至更精确。因此，在设计阶段，需要仔细的计算相对精度与总体精度之间的差异，从而避免或者减小应用电路生产时的额外调整工作。本文主要讨论DCP精度是如何影响着设计，另外还讨论了一些能提高系统最终精度的技术。 　　在应用设计中，DCP主要有两种用途：用作分压器和变阻器。 　　电压分压器模式 　　当DCP用作电压分压器时，其RH和RL端连接着电源轨，动触点RW的最终精度仅取决于内部电阻匹配程度。因此，每个部分都相同，不管总的电阻精度如何。 　　道理很简单，因为RH和RL间的电压由特定数量的抽头所分压，即在分压电阻串中，数量为n的等效电阻元素按比例缩小。例如，对于如图2所示的配置， 图2：高精度电压分压器 　　动触点m的输出电压Vout可以计算得到(公式1a和1b)： 　 　　或 　　 　　其中m为当前动触点的位置，n为抽头的总数。 　　从公式1b中可以看出，电阻精度可以忽略且对输出Vout没有任何影响。 　　不过，如果DCP在RH和/或RL端另有电阻，输出信号的精度将变成DCP初始精度的函数。这是因为缩放系数在各个分压电阻串中不相等，如图3。 图3：不同精度的例子 　　图3中带有R1和R2电路的输出函数为(公式2)： 　　 　　其中n为抽头的总数，m为当前动触点的位置。 　　需要注意的是，动触点电阻没有包含在内，这是因为其对该特定的配置没有任何影响，同时我们假设使用的是理想运放。 　　变阻器模式 　　当DCP用作变阻器时，其输出精度变成初始精度(±20%)加上由动触点电阻带来的额外误差之和。因为动触点开关不是理想的--即存在很小的阻值，通常为70Ω，并且该阻值在各个抽头间是变化的。动触点电阻在变阻器配置中大大降低，例如，当动触点连接到终端的一个端点上，如图4a： 图4：变阻器的结构 　　在变阻器结构中，如图4a，动触点电阻出现在电阻串部分并联时，其效应取决于所选的动触点位置。 　　另一个可能的配置是让终端的一个端点悬空，如图4b所示。这种情况下，动触点电阻通常会在数据资料表中以图表形式提供，从而能更加容易的计算各个抽头上的总电阻。公式3可用于计算抽头m处的电阻： 　　 　　可增加电路精度的设计实例 　　即使常规的DCP初始精度为±20%，应用的精度可以通过使用一些特定的技术来提高。例如，图3的设计通过简单的修改即可获得更高的精度，如图5所示。 图5：在分压模式下提高精度的例子 　　在上述的例子中，输入信号Vin被固定的R1、R2、R3电阻串所分压，DCP放置在与R2的并联位置上。这种配置可以保留可变输出的灵活性，同时具有高得多的精度。需要注意的是，为了得到所需的精度，Rtotal的阻值应该是R2的5-10倍。 　　当DCP用作变阻器时，通过将DCP和高精度固定电阻的串并联配置，可以得到更好的精度，如图6。 图6：DCP与固定电阻的串并联配置 　　例如，图6电路中使用了精度为±20%，阻值为10 kΩ, 抽头个数为256的DCP，我们可以得到阻值变化范围为5.5kΩ到10.695 kΩ的可变电阻，对应的精度为±1.1%到±8.5%，如表1。 表1：DCP与固定电阻的串并联配置 　　另一个DCP的实际用途为数模转换器(DAC)的代替品。在大多数情况下，当设计需要在受限范围内进行微调时，一个8位的DCP可以实现比10位DAC更好的分辨率。有关DCP分辨率与终端电压及抽头数量关系函数见表2所示。