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數控電位器(DCP)在各種應用中深受歡迎，尤其在控制、參數調整、信號處理方面。數字電位器取代了機械電位器，并在很多方面體現出優勢，如遠程操作、可編程性、高分辨率、小型化、可靠性、能存儲多個動觸點位置，以及更低的系統成本。 當然，使用DCP進行設計時，也有一些限制需要考慮，比如受限的端電壓以及精度。這些限制來自于多晶硅電阻的制造工藝以及在CMOS集成電路中的集成工藝。 DCP是通過電阻的組合來實現的，電阻R通過串聯連接著CMOS開關，如圖1。 圖1：DCP電阻陣列。 電阻陣列的物理兩端，即RH和RL端，等效于機械電位器的固定端。動觸點RW通過CMOS開關一次一個地連接著中間節點，等效于機械電位器的動觸點端。 多晶硅DCP的典型電阻精度為±20%，然而，相對精度或者是在特定的電阻陣列內的電阻匹配程度更高，通常為±1%甚至更精確。因此，在設計階段，需要仔細的計算相對精度與總體精度之間的差異，從而避免或者減小應用電路生產時的額外調整工作。本文主要討論DCP精度是如何影響著設計，另外還討論了一些能提高系統最終精度的技術。 在應用設計中，DCP主要有兩種用途：用作分壓器和變阻器。 電壓分壓器模式 當DCP用作電壓分壓器時，其RH和RL端連接著電源軌，動觸點RW的最終精度僅取決于內部電阻匹配程度。因此，每個部分都相同，不管總的電阻精度如何。 道理很簡單，因為RH和RL間的電壓由特定數量的抽頭所分壓，即在分壓電阻串中，數量為n的等效電阻元素按比例縮小。例如，對于如圖2所示的配置， 圖2：高精度電壓分壓器 動觸點m的輸出電壓Vout可以計算得到(公式1a和1b)： 或 其中m為當前動觸點的位置，n為抽頭的總數。 從公式1b中可以看出，電阻精度可以忽略且對輸出Vout沒有任何影響。 不過，如果DCP在RH和/或RL端另有電阻，輸出信號的精度將變成DCP初始精度的函數。這是因為縮放系數在各個分壓電阻串中不相等，如圖3。 圖3：不同精度的例子 圖3中帶有R1和R2電路的輸出函數為(公式2)： 其中n為抽頭的總數，m為當前動觸點的位置。 需要注意的是，動觸點電阻沒有包含在內，這是因為其對該特定的配置沒有任何影響，同時我們假設使用的是理想運放。 變阻器模式 當DCP用作變阻器時，其輸出精度變成初始精度(±20%)加上由動觸點電阻帶來的額外誤差之和。因為動觸點開關不是理想的——即存在很小的阻值，通常為70Ω，并且該阻值在各個抽頭間是變化的。動觸點電阻在變阻器配置中大大降低，例如，當動觸點連接到終端的一個端點上，如圖4a： 圖4：變阻器的結構。 在變阻器結構中，如圖4a，動觸點電阻出現在電阻串部分并聯時，其效應取決于所選的動觸點位置。 另一個可能的配置是讓終端的一個端點懸空，如圖4b所示。這種情況下，動觸點電阻通常會在數據資料表中以圖表形式提供，從而能更加容易的計算各個抽頭上的總電阻。公式3可用于計算抽頭m處的電阻： 可增加電路精度的設計實例 即使常規的DCP初始精度為±20%，應用的精度可以通過使用一些特定的技術來提高。例如，圖3的設計通過簡單的修改即可獲得更高的精度，如圖5所示。 圖5：在分壓模式下提高精度的例子 在上述的例子中，輸入信號Vin被固定的R1、R2、R3電阻串所分壓，DCP放置在與R2的并聯位置上。這種配置可以保留可變輸出的靈活性，同時具有高得多的精度。需要注意的是，為了得到所需的精度，Rtotal的阻值應該是R2的5-10倍。 當DCP用作變阻器時，通過將DCP和高精度固定電阻的串并聯配置，可以得到更好的精度，如圖6。 圖6：DCP與固定電阻的串并聯配置 例如，圖6電路中使用了精度為±20%，阻值為10 kΩ, 抽頭個數為256的DCP，我們可以得到阻值變化范圍為5.5kΩ到10.695 kΩ的可變電阻，對應的精度為±1.1%到±8.5%，如表1。 表1：DCP與固定電阻的串并聯配置 另一個DCP的實際用途為數模轉換器(DAC)的代替品。在大多數情況下，當設計需要在受限范圍內進行微調時，一個8位的DCP可以實現比10位DAC更好的分辨率。有關DCP分辨率與終端電壓及抽頭數量關系函數見表2所示。 表2：不同抽頭對應得DCP分辨率 |
