【導讀】幾十年來
，機械式電位器一直用在從電路微調到音量控製的各種應用中。然而
，機械式電位器有其局限性：huabikenenghuimosun
，rongyishouchao，yeyoukenengbeiyiwaiyichushedingweizhi。ciwai
，suizhequanqiushuzihuazhuanxing，shejizhexuyaoyizhongtidaifangan，yimanzugengjingquedekongzhihegaokekaoxingyaoqiu
，yijinenggoulinghuoditongguogujianjinxingyuanchengtiaojie。

數字式電位器 IC tongchangbeichengweishuzidianweiqi，shiliantongshuzihemonidianzushijiedeqiaoliang
，rangshangshuwentiyingrenerjie。zuoweiyizhongjianrongweikongzhiqidequandianziqijian
，shuzidianweiqiketongguochuliqiheruanjianlaikongzhi、設置和改變其電阻值或分壓比。

數shu字zi電dian位wei器qi擁yong有you機ji械xie式shi電dian位wei器qi無wu法fa比bi擬ni的de特te點dian和he功gong能neng，並bing且qie數shu字zi電dian位wei器qi不bu需xu要yao滑hua臂bi
，因yin此ci更geng加jia堅jian固gu可ke靠kao。數shu字zi電dian位wei器qi可ke防fang止zhi被bei故gu意yi或huo意yi外wai調tiao節jie，從cong而er避bi免mian了le莫mo名ming其qi妙miao的de性xing能neng變bian化hua。這zhe種zhong器qi件jian的de應ying用yong不bu計ji其qi數shu

，包bao括kuo LED 熱穩定、LED 調光、閉環增益控製、音量調節
、校準、用於傳感器的惠斯通電橋微調、控製電流源和調節可編程模擬濾波器等。

本文將簡要介紹電位器及其向數字電位器的演變。然後
，以 Analog Devices、Maxim Integrated、Microchip Technology 和 Texas Instruments 的器件為例
，介紹數字電位器的操作、基本和高級配置
，以及如何解決電路調節問題。本文將展示這些器件的功能、特性
、性能和選項如何用於簡化電路
，使電路與處理器兼容並減少甚至消除對笨重、不太可靠的機械電位器的需求。

01 電位器的基礎知識

電dian位wei器qi在zai電dian力li和he電dian子zi學xue的de最zui早zao期qi就jiu已yi經jing是shi一yi個ge重zhong要yao的de無wu源yuan電dian路lu組zu件jian。電dian位wei器qi是shi一yi種zhong三san端duan子zi設she備bei，帶dai有you一yi個ge可ke訪fang問wen的de電dian阻zu元yuan件jian


，可ke通tong過guo旋xuan轉zhuan軸zhou上shang用yong戶hu可ke設she置zhi的de滑hua動dong臂bi實shi現xian分fen壓ya功gong能neng。電dian位wei器qi已yi用yong於yu無wu數shu的de模mo擬ni和he混hun合he信xin號hao電dian路lu，能neng滿man足zu各ge種zhong各ge樣yang的de應ying用yong要yao求qiu（圖 1）。

圖 1：標準電位器是一個可由用戶設置的帶轉軸可變電阻器。（圖片來源：etechnog.com）

當滑臂沿著電阻元件旋轉和滑動時，任何一端的觸頭和可調滑臂之間的電路電阻從零歐姆（標稱）到導線或薄膜電阻的全額定值之間變化。大多數電位器的旋轉範圍約為 270 至 300 度，典型的機械分辨率和重複性約為滿量程值的 0.5% 和 1%（分別為 1/200和 1/100 之間）。

請注意，電位器和其最初的同類器件——變阻器之間有一個輕微但明顯的重要區別。電位器是一個作為分壓器的三端設備（圖 2，左）
，而(er)變(bian)阻(zu)器(qi)是(shi)一(yi)個(ge)兩(liang)端(duan)可(ke)調(tiao)的(de)電(dian)阻(zu)，用(yong)於(yu)控(kong)製(zhi)電(dian)流(liu)流(liu)動(dong)。連(lian)接(jie)電(dian)位(wei)器(qi)通(tong)常(chang)是(shi)為(wei)了(le)創(chuang)建(jian)一(yi)個(ge)變(bian)阻(zu)器(qi)，有(you)三(san)種(zhong)類(lei)似(si)的(de)連(lian)接(jie)方(fang)式(shi)
，即(ji)留(liu)出(chu)其(qi)中(zhong)的(de)一(yi)個(ge)端(duan)子(zi)，不(bu)做(zuo)任(ren)何(he)調(tiao)節(jie)


，或(huo)者(zhe)直(zhi)接(jie)將(jiang)其(qi)與(yu)滑(hua)臂(bi)連(lian)接(jie)（圖 2，右）。

圖 2：可以很方便地用三種連接方法中的任何一種來連接帶有端子 A 和 B 以及滑臂 W 的電位器（左），將其用作變阻器（右）。（圖片來源：Analog Devices）

02 數字電位器：IC 形式的電位器

quandianzishuzidianweiqifangzhenlejidianshidianweiqidegongneng
，danzheshitongguoyigemeiyouhuodongbujiandejichengdianlulaishixiande。shuzidianweiqikejieshouduozhonggeshideshuzidaima，bingqueliyigexiangyingdedianzuzhi。yinci，zhezhongqijianyoushibeichengweidianzushishumozhuanhuanqi (RDAC)。

在傳統電位器中，可以用手（有時甚至是小型電機）來設定滑臂位置

，以此設置分壓比。然而
，在數字電位器中，計算機控製器通過數字接口與數字電位器 IC 連接，並建立一個與滑臂位置等效的數值（圖 3）。

圖 3：數字電位器IC 用一個以數字方式設置的電子開關來模擬機械式滑臂
，從而取代了手動設置式電位器。（圖片來源：Circuits101，修改版)

數字電位器使用標準的 CMOS 集成電路技術，不需要特殊的製造或處理工藝。表麵貼裝數字電位器 IC 的尺寸通常為 3×3 mm 或更小，遠小於旋鈕式電位器或甚至是需要用小型螺絲刀調節的微調電位器；在 PC 板生產方麵
，這種 IC 的處理方式與任何其他表麵貼裝技術 (SMT) 集成電路相同。

數(shu)字(zi)電(dian)位(wei)器(qi)的(de)內(nei)部(bu)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)大(da)體(ti)上(shang)由(you)一(yi)個(ge)簡(jian)單(dan)的(de)串(chuan)聯(lian)電(dian)阻(zu)串(chuan)組(zu)成(cheng)
，並(bing)且(qie)在(zai)滑(hua)臂(bi)和(he)這(zhe)些(xie)電(dian)阻(zu)之(zhi)間(jian)有(you)可(ke)數(shu)字(zi)尋(xun)址(zhi)電(dian)子(zi)開(kai)關(guan)。發(fa)出(chu)數(shu)字(zi)指(zhi)令(ling)時(shi)相(xiang)應(ying)的(de)開(kai)關(guan)閉(bi)合(he)，而(er)其(qi)他(ta)開(kai)關(guan)則(ze)斷(duan)開(kai)
，從(cong)而(er)確(que)立(li)所(suo)需(xu)的(de)滑(hua)臂(bi)位(wei)置(zhi)。這(zhe)種(zhong)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)實(shi)際(ji)上(shang)有(you)一(yi)些(xie)不(bu)足(zu)
，包(bao)括(kuo)需(xu)要(yao)大(da)量(liang)的(de)電(dian)阻(zu)、開關以及較大的芯片尺寸。

weilezuidaxiandudijianshaozhexiewenti
，gongyingshangyijingshejilegezhongqiaomiaodedianzuqihekaiguanbuju，zaiquebaojuyouxiangtongxiaoguodeqingkuangxiajianshaodianzuhekaiguandeshuliang。yishangmeiyizhongtuopujiegoudouhuidaozhizaishuzidianweiqiruhequedingfanweijiqierjitexingfangmiandexiaochayi，danduiyonghulaishuojuedabufenchayidoushitoumingde。zaixiawenzhong，womenjiangyong“電位器”表示機電式電位器，用“數字電位器”表示全電子式電位器。

03 數字電位器具有一係列規格、功能

與任何組件一樣，在選擇數字電位器時也有主要參數和次要參數需要考慮。排名靠前的問題是標稱電阻值、分辨率和數字接口的類型
，同時需要考慮的因素包括容差和誤差源、電壓範圍
、帶寬和失真。

●   所需的電阻值，通常稱為端到端電阻，由電路的設計考慮事項決定。供應商以 1/2/5 的順序提供 5 kΩ 和 100kΩ 之間的電阻值，還有一些其他中間值。此外，還有一些具有擴展範圍的器件，可低至 1 kΩ 或者高至 1 MΩ。

●   分辨率定義了數字電位器能夠提供多少個離散式步進或抽頭設定值，範圍從 32 到 1024 步，以使設計者能夠滿足應用需要。請記住，即使是一個中程 256 步（8 位）數字電位器的分辨率也比電位器高。

●   微控製器和數字電位器之間的數字接口采用標準的串行 SPI、I2C 格式，還有地址引腳，這樣就可以通過一條總線連接多個設備。微控製器使用一個簡單的數據編碼方案來指示所需的電阻設置。諸如 Texas Instruments 的 TPL0501 器件便是此類極簡型數字電位器。這是一種具有 SPI 接口的 256 抽頭數字電位器，非常適合功率耗散和尺寸至關重要的情況（圖 4）。該器件采用節省空間的 8 針 SOT-23（1.50 mm × 1.50 mm）和 8 針 UQFN（1.63 mm × 2.90 mm）封裝。

圖4：像 Texas Instruments 的 TPL0501 這樣具有 SPI 接口的基本型數字電位器

，對於不需要更多功能的空間和功率受限型應用來說是一種有效的器件。（圖片來源：Texas Instruments）

例如，在實際中可將其用於臨床級可穿戴醫療設備
，如血氧儀和傳感器補片。該器件在本例中搭配使用TI 的 OPA320 運算放大器（圖 5）。通過組合這兩種器件

，可以構建一個分壓器

，用於控製提供數模轉換器 (DAC) 輸出的放大器增益。很明顯有人會問，為什麼不簡單地使用一個完整的標準 DAC？具體原因是，這種臨床應用需要高精度
、軌至軌模擬輸出，具有高共模抑製比 (CMRR) 和低噪聲。為此
，OPA320 的這兩個指標在10 kHz 時分別為 114 dB 和7 nV/√Hz。

圖 5：數字電位器可與精密運算放大器（如 TI 的 OPA320）配合使用
，創建一個其運算放大器輸出性能超凡的 DAC。（圖片來源：Texas Instruments）

此外，還有一些數字電位器接口變化，可簡化其在手動式音量控製器等應用中的使用。另外兩個選擇是按鈕和上/下 (U/D) 接口。使用按鈕時

，用戶可以按下兩個按鈕中任意一個：一個用於增加電阻，另一個用於減少電阻。請注意，該操作過程中沒有處理器參與（圖 6）。

圖 6：采用按鈕式接口時，允許在兩個手動按鈕之間進行無處理器連接，因此可以直接增加/減少數字電位器的設置。（圖片來源：Analog Devices）

U/D 接口可以用最小的軟件開銷來實現，並通過一個簡單的旋轉編碼器或與處理器相連的按鈕來觸發，使用諸如 Microchip Technology 的 MCP4011 等數字電位器來實現。這是一個基本的 64 步（6位）器件，其電阻值為 2.1 kW、5 kW、10 kW 和 50 kW（圖 7）。

圖 7：像 Microchip Technology 的 MCP4011 這種具有邊沿驅動式 U/D 控製線路和芯片選擇的數字電位器
，隻需主微控製器提供最少的 I/O 和軟件資源。（圖片來源：Microchip Technology
，有修改）

該器件使用單一的高電平或低電平邊沿觸發
，再加上芯片選擇，來增加或減少電阻增量（圖 8）。這樣，就可以簡單地實現一個旋鈕，看起來就像傳統的音量控製器，與電位器沒有任何關係
，但又有數字電位器的各種優勢。

圖 8：數字電位器的U/D 接口支持使用來自低分辨率編碼器的觸發器對電阻值進行邊緣觸發式增減。（圖片來源：Microchip Technology）

數字電位器的容差可能會是一個問題，因為容差通常在額定值的 ±10 和 ±20% zhijian

，zhegefanweizaixuduobilvcelianghuobihuanqingkuangxiashikeyijieshoude。raner
，ruguoshuzidianweiqiyuwaibufenlidianzuqihuokaihuanyingyongzhongdechuanganqixiangpipei
，rongchajiukenengshiyigeguanjiancanshu。yinci，youdebiaozhunshuzidianweiqijuyougengyangederongcha，kedizhi ±1%。當然，與所有的 IC 一樣，電阻溫度係數、與溫度有關的漂移也可能是一個因素。供應商在他們的規格書中規定了這個數字，這樣設計者就可以通過 Spice 等電路模型來評估其影響。其他緊容差選擇將在下文將討論。

jinguanzairuxiaozhunhuopianzhidianshezhidengjingtaiyingyongzhongdaikuanheshizhenbushitongyigekaolvyinsu
，danzaiyinpinjixiangguanyingyongzhongqueshiyigewenti。tedingdaimadedianzulujingyukaiguanjisheng、引腳和電路板電容相結合，會形成一個電阻電容 (RC) 低通濾波器。較小的端對端電阻值產生較高的帶寬，1 kΩ 數字電位器的帶寬可達約 5 MHz，1 MΩ 數字電位器則低至5 kHz。

相比之下，總諧波失真 (THD) hendachengdushangshiyouyubutongdeyingyongxinhaoshuipingxiadianzudefeixianxingzaochengde。duanduiduandianzuzhijiaodadeshuzidianweiqijianshaoleneibukaiguandianzuxiangduiyuzongdianzudegongxian，congershi THD 更低。因此，帶寬與 THD 的關係是設計者在選擇標稱數字電位器值時必須優先考慮和權衡的一個因素。典型值範圍為從 20 kΩ 數字電位器的 -93dB
，到 100 kΩ 數字電位器的 -105dB。

04 數字電位器的雙重、四重和線性與對數變化之比較

除了“免手動”可控性能外，數字電位器更加簡單，易於設計導入且成本遠低於電位器。數字電位器的其他功能：

●   在zai兩liang個ge電dian阻zu值zhi必bi須xu獨du立li調tiao節jie時shi，雙shuang重zhong數shu字zi電dian位wei器qi便bian很hen有you用yong，而er且qie當dang二er者zhe必bi須xu為wei同tong一yi數shu值zhi則ze優you勢shi更geng加jia明ming顯xian。雖sui然ran可ke以yi使shi用yong兩liang個ge獨du立li的de數shu字zi電dian位wei器qi IC，但雙重器件還有可以跟蹤電阻值的優勢，盡管會存在容差和漂移；也可以使用四重數字電位器。

●   線性與對數 (log) 設置：suirantiaojiehexiaozhunyingyongtongchangyaoqiushuzibianmahehechengdianzuzhizhijianshixianxingguanxi，danduishuguanxiyouliyuxuduoyinpinyingyong，keyigenghaodishiyingyinpinqingkuangxiasuoxudefenbeitiaojie。

為滿足這一需求，設計人員可以使用對數型數字電位器，如 Maxim Integrated Products 的 DS1881E-050+。這種雙通道器件采用 5 V 單電源供電，其端到端電阻為 45 kΩ，具有 I2C 接jie口kou和he地di址zhi引yin腳jiao，允yun許xu在zai總zong線xian上shang連lian接jie多duo達da八ba個ge器qi件jian。在zai兩liang個ge通tong道dao中zhong，每mei個ge通tong道dao的de電dian阻zu值zhi都dou可ke獨du立li設she置zhi，並bing且qie為wei用yong戶hu提ti供gong了le多duo個ge可ke選xuan的de配pei置zhi設she定ding值zhi；基本配置為 63 步，每步衰減 1 dB，從 0 dB 到 -62 dB，以及靜音功能（圖 9）。

圖 9：Maxim DS1881E-050+ 雙通道數碼相機設計用於音頻信號路徑
，在 63dB 範圍內增益設置為 1dB/步。（圖片來源：Maxim Integrated Products）

DS1881E-050+ 能夠最大限度地減少串擾，且兩個通道提供 0.5 dB 通道間匹配，以最大限度地減少它們之間的音量差異。該器件還實現了可防止出現可聞哢噠聲的過零電阻切換，並包括非易失性存儲器；其一般效用將在下文討論。

數字電位器能夠應對的最大電壓也是一個考慮因素。低電壓數字電位器可在低至 +2.5 V（或 ±2.5 V 雙極）電源軌上工作，而更高電壓的數字電位器
，如Microchip Technology 的 MCP41HV31——一款 50 kΩ、128 個抽頭的 SPI 接口器件
，可在高達 36 V（±18 V）的電源軌上工作。

05 非易失性存儲器協助電源複位

基本的數字電位器有很多優點，但與電位器相比有一個不足無法避免：數字電位器的設置在斷電後會丟失，而且其上電複位 (POR) 位置是由自身設計設定的，通常在中程部分。不幸的是，對於許多應用來說，這種POR 設置不可接受。考慮校準設置：一旦確定就應該保留，直到有意去調節，即使是切斷線路電源或更換電池也是如此；此外
，在許多應用中，“正確”設置是在斷電時最後使用的設置。

因此，電位器還能繼續使用的原因之一是，它們的設置在電源複位時不會丟失；不(bu)過(guo)數(shu)字(zi)電(dian)位(wei)器(qi)已(yi)經(jing)消(xiao)除(chu)了(le)這(zhe)一(yi)缺(que)陷(xian)。最(zui)初(chu)常(chang)見(jian)的(de)設(she)計(ji)是(shi)讓(rang)係(xi)統(tong)處(chu)理(li)器(qi)在(zai)運(yun)行(xing)期(qi)間(jian)回(hui)讀(du)數(shu)字(zi)電(dian)位(wei)器(qi)的(de)設(she)置(zhi)
，然(ran)後(hou)在(zai)上(shang)電(dian)時(shi)重(zhong)新(xin)加(jia)載(zai)。然(ran)而(er)，這(zhe)樣(yang)做(zuo)造(zao)成(cheng)會(hui)開(kai)機(ji)故(gu)障(zhang)，對(dui)係(xi)統(tong)的(de)完(wan)整(zheng)性(xing)和(he)性(xing)能(neng)來(lai)說(shuo)往(wang)往(wang)是(shi)不(bu)可(ke)接(jie)受(shou)的(de)。

為解決這一問題，供應商在數字電位器中使用基於 EEPROM 的非易失性存儲器 (NVM) 技術。有了 NVM，數字電位器在電源關閉時可保留其最後設置的滑臂位置，而一次性可編程 (OTP) 版本則允許設計者將滑臂的上電複位 (POR) 位置設置為預先定義的值。

NVM 增強了其他方麵的性能。例如，Analog Devices 的 AD5141BCPZ10 電阻容差誤差存儲在其 EEPROM 存儲器中（圖 10）。該器件是一款單通道
、128/256 位
、可重寫的非易失性數字電位器，支持 I2C 和 SPI 接口。使用已保存的容差值，設計者可以計算出端到端電阻的實際值，精確度為 0.01%，從而定義“滑臂上方”部分和“滑臂下方”部分的數字電位器分段比率。這種精度比沒有采用 NVM 的數字電位器的 1% 精度高一百倍。

圖 10：Analog Devices 的 AD5141BCPZ10 數字電位器集成了可重寫的非易失性存儲器 (EEPROM)，可用於保存所需的上電複位設置，以及自身電阻器陣列的校準係數。（圖片來源：Analog Devices）

這種線性增益設置模式允許通過 RAW 和 RWB 電阻串對數字電位器端子之間的電阻值進行獨立設置
，可實現高精確度電阻匹配（圖 11）。例如，反相放大器拓撲結構經常需要如此之高的精度，在這種拓撲結構中，增益是由兩個電阻的比率決定的。

圖11：對於使用精確的電阻比來設置放大器增益的電路來說，數字電位器中的 NVM 也可以用來保存滑臂上方和下方的校準電阻值。（圖片來源：Analog Devices）

06 警惕數字電位器的特異性

雖sui然ran在zai傳chuan統tong設she備bei不bu太tai理li想xiang或huo不bu實shi用yong的de情qing況kuang下xia，數shu字zi電dian位wei器qi被bei廣guang泛fan用yong於yu取qu代dai傳chuan統tong器qi件jian，但dan他ta們men確que實shi有you一yi些xie需xu要yao引yin起qi設she計ji者zhe注zhu意yi的de特te性xing。例li如ru
，電dian位wei器qi的de金jin屬shu滑hua臂bi與yu電dian阻zu元yuan件jian接jie觸chu時shi接jie觸chu電dian阻zu幾ji乎hu為wei零ling，且qie溫wen度du係xi數shu通tong常chang可ke以yi忽hu略lve。然ran而er，對dui數shu字zi電dian位wei器qi來lai說shuo，滑hua臂bi則ze是shi一yi個ge CMOS 元件
，其電阻雖小
，但意義大，具體為幾十歐到 1 kΩ 範圍內。如果 1 mA 電流通過 1kΩ 的滑臂
，那麼滑臂上產生的 1 V 電壓降可能會限製輸出信號的動態範圍。

此(ci)外(wai)，該(gai)滑(hua)臂(bi)的(de)電(dian)阻(zu)是(shi)所(suo)施(shi)加(jia)電(dian)壓(ya)和(he)溫(wen)度(du)的(de)函(han)數(shu)

，所(suo)以(yi)導(dao)致(zhi)了(le)非(fei)線(xian)性(xing)，從(cong)而(er)使(shi)信(xin)號(hao)路(lu)徑(jing)中(zhong)的(de)交(jiao)流(liu)信(xin)號(hao)失(shi)真(zhen)。滑(hua)臂(bi)的(de)典(dian)型(xing)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)約(yue)為(wei)百(bai)萬(wan)分(fen)之(zhi) 300 每攝氏度 (ppm/⁰C)，這可能很重要
，在進行高精度設計時應將其考慮在誤差預算中。數字電位器型號也具有更低的係數。

結語

數字電位器是一種數字設置的 IC，在(zai)許(xu)多(duo)係(xi)統(tong)結(jie)構(gou)和(he)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)中(zhong)取(qu)代(dai)了(le)經(jing)典(dian)的(de)機(ji)電(dian)式(shi)電(dian)位(wei)器(qi)。數(shu)字(zi)電(dian)位(wei)器(qi)不(bu)僅(jin)減(jian)少(shao)了(le)產(chan)品(pin)尺(chi)寸(cun)和(he)因(yin)意(yi)外(wai)移(yi)動(dong)而(er)出(chu)錯(cuo)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)
，而(er)且(qie)還(hai)增(zeng)加(jia)了(le)與(yu)處(chu)理(li)器(qi)的(de)兼(jian)容(rong)性(xing)

，從(cong)而(er)增(zeng)加(jia)了(le)軟(ruan)件(jian)的(de)兼(jian)容(rong)性(xing)，還(hai)具(ju)有(you)更(geng)高(gao)的(de)精(jing)度(du)和(he)分(fen)辨(bian)率(lv)（如果需要）以及其他的有用功能。

如圖所示
，數字電位器具有廣泛的標稱電阻值、步長和精度，而增加的非易失性存儲器又擴展了其功能
，並克服了在許多應用中使用時的一個重要障礙。

作者： Bill Schweber

來源：DigiKey

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