Digitální potenciometr se často nazývá digipot. Digipoty jsou schopny ovládat, nastavovat a měnit hodnotu odporu. Digipoty jsou odolnější a spolehlivější, protože nemají pohyblivý jezdec. Používají se uvnitř LED svítidel pro tepelnou stabilizaci, stmívání LED diod, ovládání zesílení uzavřené smyčky, nastavení hlasitosti zvuku, kalibraci, ve Wheatstone můstku pro senzory, ovládání zdrojů proudu a ladění programovatelných analogových filtrů.

Tento článek poskytne stručný úvod do klasických mechanických potenciometrů a jejich vývoj směrem k digipotům. Poté si představíme komponenty společností Analog Devices, Maxim Integrated, Microchip Technology a Texas Instruments. Vysvětlíme si jak digipot funguje, a jak lze provést jejich základní konfiguraci. Využijeme jejich vlastností ke zjednodušení návrhu obvodu, popřípadě se podíváme na náhradu za méně spolehlivé mechanické potenciometry.

Základy potenciometru

Potenciometr je základní součástí pasivního obvodu od nejstarších dob elektroniky. Jedná se o zařízení se třemi připojovacími body – terminály. Poskytuje funkci děliče napětí prostřednictvím uživatelsky nastavitelného jezdce na otočné hřídeli, který se pohybuje po odporové dráze. Používá se v nesčetných analogových a smíšených signálových obvodech (obrázek 1).

Obrázek 1: Standardní potenciometr je uživatelsky nastavitelný odpor s hřídelí. (Zdroj obrázku: etechnog.com)

Odpor je dán pozicí jezdce, který klouže po odporové dráze. V počáteční poloze je odpor nulový a ve druhé krajní pozici je odpor maximální, který je dán celou odporovou drahou. Většina potenciometrů má rozsah otáčení přibližně 270 až 300 stupňů. Rozdíl mezi potenciometrem a jeho mladším sourozencem reostatem je ten, že potenciometr je zařízení se třemi vývody, které funguje jako dělič napětí (obrázek 2, vlevo), zatímco reostat je zařízení se dvěma vývody. Reostat nastavitelným odporem řídí tok proudu. Potenciometr bývá často zapojen tak, aby vytvořil reostat. To lze provést třemi způsoby uvedenými na obrázku 2 vpravo.

Obrázek 2: Potenciometr s koncovými svorkami A a B a jezdcem W (vlevo) lze snadno použít jako reostat pomocí tří zapojení (vpravo). (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Digipot: Potenciometr ve formě integrovaného obvodu

Plně elektronický digitální potenciometr napodobuje funkčnost elektromechanického potenciometru, ale činí to pomocí integrovaného obvodu. Digipot přijímá digitální kód v jednom z několika formátů a nastaví odpovídající hodnotu odporu. Někdy je označován jako odporový převodník digitálního signálu na analogový (RDAC- resistive digital-to-analog converter)(obrázek 3).

Obrázek 3: Digipot nahrazuje ruční nastavení jezdce potenciometru. (Zdroj obrázku: Circuits101)

Digipot používá standardní technologii CMOS a nevyžaduje speciální výrobu ani manipulaci. Velikost digipotu pro povrchovou montáž je typicky 3 x 3 mm i méně. Interní topologie digipotu se v zásadě skládá z jednoduchého sériového řetězce rezistorů s digitálně adresovatelnými elektronickými spínači mezi těmito odpory. Přijatý příkaz se rozkóduje a sepnou se příslušné spínače, čímž se nastaví požadovaný odpor. V praxi má tato topologie určité nevýhody, včetně velkého počtu požadovaných odporů a přepínačů, a tím i větší velikost matrice. Aby se tyto obavy minimalizovaly, výrobci přišli s chytrým uspořádáním odporů a spínačů, která snižují jejich počet a přináší stejný efekt.

Digipoty a jejich vlastnosti

Jako u všech komponent existují i ​​při výběru digipotu parametry, které jsou důležitější než jiné. Nejvýznamnějším parametrem je nominální hodnota odporu, rozlišení a typ digitálního rozhraní. Přičemž se nesmí zapomenout na toleranci, velikost chyby, rozsah napětí, šířku pásma a zkreslení.

• Požadovaná hodnota odporu, často nazývaná odpor mezi koncovými body, je určena konstrukcí obvodu. K dispozici jsou digipoty s odpory mezi 5 kΩ a 100 kΩ s dalšími mezilehlými hodnotami. Kromě toho existují jednotky s rozšířeným rozsahem, které dosahují hodnoty 1 kΩ a až 1 MΩ.
• Rozlišení definuje kolik diskrétních nastavení (kroků) digipot nabízí. Tento parametr se pohybuje v rozmezí od 32 do 1024 kroků. Na první pohled se zdá, že to představuje nějaké omezení, ale 256 pólový (8 bitový) digipot středního rozsahu má vyšší rozlišení než klasický mechanický potenciometr.
• Digitální rozhraní, které se požívá pro připojení k mikrokontroleru, je k dispozici ve standardních sériových formátech SPI a I²C spolu s adresními piny, takže lze přes jednu sběrnici připojit více digipotů.

Miniaturní digipot TPL0501 od Texas Instruments s 256 kroky a rozhraním SPI se hodí tam, kde je rozhodující ztrátový výkon a velikost (obrázek 4). Jeho velikost 8 pinového SOT-23 pouzdra je 1,50 mm × 1,50 mm a 8 pinové UQFN pouzdro dosahuje velikosti 1,63 mm × 2,90 mm.

Obrázek 4: Digipot TPL0501 od Texas Instruments s rozhraním SPI je efektivní komponentou pro aplikace s omezeným prostorem a energií. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Jedním příkladem aplikace je jeho použití v lékařských nositelných zařízeních v klinické kvalitě, jako jsou oxymetry a senzorové náplasti. V těchto případech bývá spárován s operačním zesilovačem OPA320 (obrázek 5). Tato kombinace vytváří dělič napětí pro ovládání zesílení zesilovače, který poskytuje výstup digitálně analogového převodníku (DAC).  Otázkou je, proč jednoduše nepoužívat standardní kompletní DAC? 

Důvodem je, že tato klinická aplikace vyžaduje přesný analogový výstup rail-to-rail s vysokou hodnotou CMRR (common-mode rejection ratio) a nízkým šumem. Common-mode rejection ratio, určuje jak je pseudo-diferenční filtr schopný potlačit nežádoucí souhlasný signál. Ideálně by mělo být CMRR nekonečno, to ale v praxi není možné. OPA320 má hodnotu CMRR 114 dB a šum 7 nV/√Hz při 10 kHz.

Obrázek 5: Digipot lze spárovat s přesným operačním zesilovačem jako je OPA320 a vytvořit DAC s parametry operačního zesilovače. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Existuje varianta rozhraní digipotu, která je přímo určena pro ovládací prvky hlasitosti. Stačí jen připojit tlačítka UP and DOWN (rozhraní U/D). Po stisknutí příslušného tlačítka dojde ke zvýšení nebo snížení počtu připojených odporů. Důležitou vlastností je to, že do této akce je procesor zapojen jen minimálně (obrázek 6).

Obrázek 6: Rozhraní ve formě tlačítek umožňuje ovládání hlasitosti aplikace s minimálním zásahem procesoru. Po sepnutí příslušného tlačítka dochází k automatickému zvyšování/snižování odporu digipotu. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Rozhraní U/D je implementováno v digipotu MCP4011 od Microchip Technology. Jedná se o digipot se 64 kroky (6bitů) s hodnotami odporu 2,1 kW, 5 kW, 10 kW a 50 kW (obrázek 7).

Obrázek 7: Digipot MCP4011 od Microchip Technology s U/D rozhraním. (Zdroj obrázku: Microchip Technology, upraveno)

MCP4011 používá jeden spouštěcí signál U/D a signál CS pro výběr čipu (obrázek 8).

Obrázek 8: Rozhraním U/D lze zvyšovat a snižovat hodnotu odporu. (Zdroj obrázku: Microchip Technology)

Velikost tolerance pro digipoty může být problémem, jelikož se obvykle pohybuje v rozmezí ± 10 až ± 20% nominální hodnoty. Tato hodnota je nepřijatelná pro poměrové měření či měření v uzavřené smyčce nebo pokud je digipot připojen k externímu diskrétnímu odporu (například senzoru s otevřenou smyčkou). Z tohoto důvodu existují standardní digipoty s mnohem užší tolerancí a to až ± 1%. Jako u všech integrovaných obvodů je důležité sledovat teplotní koeficient odporu a související teplotní drift. Všechny výše uvedené parametry jsou uvedeny v datovém listu, aby vývojáři mohli posoudit jejich dopad prostřednictvím obvodových modelů, jako je Spice.

Odporová cesta s parazitní kapacitou spínačů, pinů a desky vytváří RC low-pass filtr. Nižší hodnoty odporu end-to-end poskytují vyšší šířku pásma. S šířkami pásma až asi 5 MHz pro digipot 1 kΩ a až 5 kHz pro jednotku 1 MΩ.

Naproti tomu celkové harmonické zkreslení (THD) je do značné míry způsobeno nelinearitami odporů na různých úrovních signálu. Digipoty s vyšším koncovým odporem snižují příspěvek odporu vnitřního spínače k ​​celkovému odporu. To má za následek nižší THD. Šířka pásma oproti THD je tedy kompromis, který se musí při výběru nominální hodnoty digipotu pečlivě zvážit. Typické hodnoty se pohybují od -93 dB pro digipot 20 kΩ, až do -105 dB pro jednotky 100 kΩ.

Dual, quad, a linearní vs logaritmické digipoty

Digipot nabízí kromě své ovladatelnosti také další jednoduchost, snadný design a mnohem nižší náklady než klasické potenciometry. 

• Duální digipoty jsou užitečné tam, kde musí být nezávisle nastaveny dva odpory, a zároveň musí mít stejnou hodnotu. I když by mohly být použity dva samostatné integrované obvody digipot, duální zařízení přináší výhodu v nízké toleranci a driftu. K dispozici jsou také quad digipoty e čtyřmi nezávislými odpory.
• Lineární versus logaritmické: Ve zvukových aplikacích se používá logaritmický vztah mezi digitálním kódem a odporem, jelikož to dopovídá vnímání zvuku člověkem. Ostatní aplikace používají vesměs lineárního vztahu.

Mezi logaritmický digipot patří DS1881E-050+ od Maxim Integrated Products. Jedná se o dvoukanálový digipot který pracuje z jediného 5 voltového napájení. Jeho odpor je 45 kΩ typu end-to-end a je vybaveno rozhraním I²C s adresními piny, které umožňuje připojení až osmi digipotů na sběrnici. Hodnotu odporu každého ze dvou kanálů lze nastavit nezávisle a obsahuje několik uživatelsky volitelných konfiguračních nastaveních. Základní konfigurace má 63 kroků s útlumem 1 dB na krok, od 0 dB do -62 dB, plus ztlumení (obrázek 9).

Obrázek 9: Dvoukanálový digipot Maxim DS1881E-050+ je určen pro cesty zvukových signálů a poskytuje nastavení zesílení 1 dB/krok v rozsahu 63 dB. (Zdroj obrázku: Maxim Integrated Products)

DS1881E-050+ je navržen tak, aby minimalizoval přeslechy, a nabízí přizpůsobení mezi kanály 0,5 dB. Digipot nabízí také přepínání odporů s nulovým přechodem, aby se zabránilo slyšitelnému cvaknutí. Navíc obsahuje energeticky nezávislou paměť, jehož obecná užitečnost bude vysvětlena níže.

Nízkonapěťové digipoty jsou k dispozici pro provoz s již od +2,5 V (nebo ± 2,5 voltů s bipolárním napájením). Zatímco ty s vyšším napětím, jako je Microchip Technology MCP41HV31-50 s odporem 50kΩ, 128 kroky, rozhraním SPI může pracovat až do 36 V (± 18 V).

Energeticky nezávislá paměť pomáhá při resetu napájení

Základní digipoty mají mnoho výhod, ale ve srovnání s klasickými potenciometry mají jednu nevyhnutelnou slabinu. Po odpojení napájení ztrácejí nastavení a jejich základní poloha po resetu je dána jejich konstrukcí, obvykle ve středním rozsahu. Bohužel pro mnoho aplikací je toto základní nastavení nepřijatelné. Jedním ze zbývajících důvodů, proč zůstat u potenciometrů, bylo to, že neztrácejí nastavení při resetu napájení, ale digipoty tento nedostatek vyřešily. Původně bylo běžnou praxí nechat procesor přečíst nastavení digipotu při zapnutí. To však způsobilo závady při zapnutí a často to bylo pro integritu a výkon systému nepřijatelné.

Proto se přidala do digipotů paměť EEPROM. Díky tomu si digipoty mohou zachovat svou hodnotu odporu. Jednorázové programovatelné (OTP) verze umožňují nastavit hodnotu odporu po resetu na předem definovanou hodnotu.

U digipotu AD5141BCPZ10 je chyba tolerance odporu uložena v jeho paměti EEPROM (obrázek 10). Zařízení je jednokanálové, 128/256 polohové s rozhraním I²C i SPI. Pomocí uložených hodnot tolerance se může vypočítat skutečný odpor mezi koncovými body s přesností 0,01% a definovat poměr jednotlivých segmentů digipotu „nad jezdcem“ a „pod jezdcem“.

Obrázek 10: Digipot AD5141BCPZ10 od Analog Devices obsahuje přepisovatelnou energeticky nezávislou paměť (EEPROM), kterou lze použít k uložení požadovaného odporu pro resetu napájení a také kalibrační faktory pro vlastní pole odporů. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Toto přesné vyladění jednotlivých odporů probíhá pomocí řetězových odporů R_AW a R_WB. Tím se dosáhne vysoce přesného přizpůsobení odporu (obrázek 11). Taková přesnost je často zapotřebí například u invertujících zesilovačů, kde je zisk určen poměrem dvou rezistorů.

Obrázek 11: Paměť v digipotu lze také použít k ukládání kalibrovaných odporů nad a pod jezdcem pro obvody, které používají přesné poměry odporu k nastavení zesílení zesilovače. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Speciální vlastnosti digipotů

Tak jako většina elektronických součástek i digipoty mají některé vlastnosti, které se musí zohlednit.  U klasických potenciometrů odporovou dráhu kontaktuje jezdec s téměř nulovým kontaktním odporem a má obvykle zanedbatelný teplotní koeficient. V případě digipotu je však jezdec tvořen CMOS prvkem s malým, ale přesto nezanedbatelným odporem v řádu desítek ohmů až 1 kΩ. Pokud proud 1 mA projde jezdcem o hodnotě 1 kΩ, výsledný 1 voltový pokles jezdce může omezit dynamický rozsah výstupního signálu. Tento odpor jezdce je dále funkcí jak aplikovaného napětí, tak teploty. Takže zavádí nelinearitu a tím zkreslení střídavých signálů v signálové cestě. Typický teplotní koeficient jezdce je 300 ppm/⁰C a může být významný a měl by být zohledněn u vysoce přesných návrhů.

Závěr

Digipot je digitálně nastavený integrovaný obvod, který nahrazuje klasický elektromechanický potenciometr v mnoha systémových architekturách a návrzích. Nejen, že zmenšuje velikost produktu a pravděpodobnost chyb způsobených náhodným pohybem, ale také přidává kompatibilitu s procesory a tím i softwarem. Navíc nabízí vyšší přesnost a vyšší rozlišení (v případě potřeby) spolu s dalšími užitečnými funkcemi. Digipoty jsou k dispozici v široké škále hodnot nominálního odporu, velikostí kroků a přesností. Přidání energeticky nezávislé paměti rozšiřuje jejich možnosti a překonává důležitou překážku jejich použití v mnoha aplikacích.

 

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Bill Schweber.