De grondbeginselen van digitale potentiometers en hoe ze te gebruiken

Mechanische potentiometers worden al tientallen jaren gebruikt door ontwerpers in toepassingen variërend van circuittrimming tot volumeregeling. Ze hebben echter hun beperkingen: hun ruitenwissers kunnen slijten, ze zijn gevoelig voor binnendringend vocht en ze kunnen per ongeluk uit hun ingestelde positie worden gehaald. Bovendien hebben ontwerpers, nu de wereld digitaal wordt, een alternatief nodig om te voldoen aan de eisen voor een nauwkeurigere besturing en een hoge betrouwbaarheid, samen met flexibiliteit om waarden op afstand aan te passen via firmware.

Digitale potentiometer-IC's, vaak digipots genoemd, lossen deze problemen op door een brug te slaan tussen het digitale domein en de analoge weerstandswereld. Als volledig elektronische, microcontroller-compatibele component kunnen digipots met een processor en software worden bestuurd, ingesteld en gevarieerd op weerstandswaarde of spanningsdelerverhouding.

Ze bieden eigenschappen en functies die mechanische apparaten niet kunnen bieden en zijn steviger en betrouwbaarder omdat ze geen bewegende wisser hebben. Ze kunnen niet opzettelijk getweakt of onbedoeld aangepast worden, waardoor onverklaarbare prestatieveranderingen vermeden worden. Toepassingen zijn onder andere thermische stabilisatie van LED's, dimmen van LED's, versterkingsregeling met gesloten regelkring, volumeregeling van audio, kalibratie, en Wheatstone bridge trims voor sensoren, het regelen van stroombronnen en het afstemmen van programmeerbare analoge filters, om er maar een paar te noemen.

Dit artikel geeft een korte introductie tot potentiometers en hun evolutie naar digipots. Vervolgens worden componenten van Analog Devices, Maxim Integrated, Microchip Technology en Texas Instruments gebruikt om de werking van digipotten uit te leggen, evenals basis- en geavanceerde configuraties en hoe ze voldoen aan de vereisten voor circuitaanpassing. Er wordt getoond hoe hun functies, eigenschappen, mogelijkheden en opties kunnen worden gebruikt om schakelingen te vereenvoudigen, schakelingen compatibel te maken met processoren en de noodzaak voor omvangrijke, minder betrouwbare mechanische potentiometers te verminderen of zelfs te elimineren.

Begin met de basisprincipes van potentiometers

De potentiometer is al sinds de begindagen van de elektriciteit en elektronica een essentieel, passief circuitonderdeel. Het is een apparaat met drie terminals en een toegankelijk weerstandselement dat een spanningsdelerfunctie biedt via de door de gebruiker instelbare wisser op een roterende as. Het wordt gebruikt in talloze analoge en mixed-signal schakelingen om te voldoen aan de meest uiteenlopende toepassingseisen (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De standaardpotentiometer is een door de gebruiker instelbare variabele weerstand met een draaiende as. (Bron afbeelding: etechnog.com)

De weerstand die door het circuit wordt waargenomen tussen een van beide eindcontacten en de verstelbare wisser varieert van nul ohm (nominaal) tot de volledige nominale waarde van de draad- of filmweerstand wanneer de wisser langs het weerstandselement draait en glijdt. De meeste potentiometers hebben een rotatiebereik van ongeveer 270 tot 300 graden, met een typische mechanische resolutie en herhaalbaarheid van ongeveer 0,5% en 1% van de volle schaalwaarde (respectievelijk tussen één deel op 200 en 100).

Merk op dat er een klein maar duidelijk en belangrijk verschil is tussen een potentiometer en zijn kleine broertje, de reostaat. Een potentiometer is een apparaat met drie aansluitingen dat werkt als een spanningsdeler (Afbeelding 2, links), terwijl de reostaat een instelbare weerstand met twee aansluitingen is die de stroom regelt. De potentiometer wordt vaak bedraad om een reostaat te maken, wat op drie vergelijkbare manieren kan, door een eindklem onbedraad te laten of rechtstreeks op de wiper aan te sluiten (Afbeelding 2, rechts).

Afbeelding 2: De potentiometer met eindklemmen A en B en wiper W (links) kan eenvoudig worden gebruikt als een reostaat met een van de drie aansluitmethoden (rechts). (Bron afbeelding: Analog Devices)

Digipots: Potentiometers in IC-vorm

De volledig elektronische digitale potentiometer emuleert de functionaliteit van de elektromechanische potentiometer, maar doet dit met behulp van een IC zonder bewegende delen. Het accepteert een digitale code in een van verschillende formaten en stelt een bijbehorende weerstandswaarde vast. Als zodanig wordt het soms een resistieve digitaal-naar-analoog omzetter (RDAC) genoemd.

In een traditionele potentiometer bepaalt een hand (of soms zelfs een kleine motor) de positie van de wiper en dus de verhouding van de spanningsdeler. In een digipot echter maken computerbesturingen via een digitale interface verbinding met het digipot-IC en stellen een equivalente waarde vast voor de positie van de wisser (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Het digipot-IC vervangt de handmatige instelling van de wiper van de potentiometer door een digitaal ingestelde elektronische schakelaar die een mechanische wiper nabootst. (Bron afbeelding: Circuits101, aangepast)

De digipot maakt gebruik van standaard CMOS IC-technologie en vereist geen speciale fabricage of behandeling. Het formaat van een digipot-IC voor oppervlaktemontage, meestal 3 x 3 millimeter (mm) of minder, is veel kleiner dan een potentiometer met draaiknop of zelfs een kleine trimmerpotentiometer (trimpot) met schroevendraaier en wordt net zo behandeld als elk ander IC voor oppervlaktemontagetechnologie (SMT) met betrekking tot printplaatproductie.

In principe bestaat de interne topologie van de digipot uit een eenvoudige seriële reeks weerstanden met digitaal adresseerbare elektronische schakelaars tussen de wiper en deze weerstanden. Met behulp van een digitaal commando wordt de juiste schakelaar ingeschakeld terwijl andere worden uitgeschakeld, waardoor de gewenste ruitenwisserstand wordt ingesteld. In de praktijk heeft deze topologie enkele nadelen, waaronder een groot aantal benodigde weerstanden en schakelaars en een grotere matrijsgrootte.

Om deze problemen tot een minimum te beperken, hebben leveranciers slimme alternatieve weerstanden en schakelaars bedacht die minder weerstanden en schakelaars bevatten, maar hetzelfde effect hebben. Elk van deze topologieën resulteert in kleine verschillen in hoe de digipot wordt gerangschikt en zijn second-tier karakteristieken, maar veel hiervan is transparant voor de gebruiker. Voor de rest van dit artikel gebruiken we de term potentiometer voor het elektromechanische apparaat en digipot voor de volledig elektronische.

Digipotten aangeboden reeks specificaties, functies

Zoals bij elk component zijn er zowel belangrijke als minder belangrijke parameters om rekening mee te houden bij het kiezen van een digipot. De belangrijkste punten zijn de nominale weerstandswaarde, resolutie en het type digitale interface, terwijl overwegingen als tolerantie en foutbronnen, spanningsbereik, bandbreedte en vervorming een rol spelen.

• De vereiste weerstandswaarde, vaak end-to-end-weerstand genoemd, wordt bepaald door de ontwerpoverwegingen van het circuit. Verkopers bieden weerstanden tussen 5 kilohm (kΩ) en 100 kΩ in een 1/2/5-volgorde met enkele andere tussenliggende waarden. Daarnaast zijn er eenheden met een groter bereik die zo laag gaan als 1 kΩ en zo hoog als 1 megaohm (MΩ).

- De resolutie bepaalt hoeveel discrete stap- of tikinstellingen de digipot biedt, van 32 tot 1024 stappen, zodat de ontwerper kan voldoen aan de behoeften van de toepassing. Houd in gedachten dat zelfs een mid-range 256-stappen (8-bits) digipot een hogere resolutie heeft dan een potentiometer.

- De digitale interface tussen de microcontroller en de digipot is beschikbaar in standaard seriële SPI- en I²C-formaten, samen met adrespennen zodat meerdere apparaten via een enkele bus kunnen worden aangesloten. De microcontroller gebruikt een eenvoudig gegevenscoderingsschema om de gewenste weerstandsinstelling aan te geven. Een minimalistische digipot zoals de Texas Instruments TPL0501, een 256-tap digipot met SPI-interface, is een goede keuze als vermogensdissipatie en formaat kritisch zijn (Afbeelding 4). Hij is verkrijgbaar in ruimtebesparende 8-pins SOT-23 (1,50 mm × 1,50 mm) en 8-pins UQFN (1,63 mm × 2,90 mm) verpakkingen.

Afbeelding 4: Een basis digipot zoals de TPL0501 van Texas Instruments met een SPI-interface is een effectieve component voor toepassingen met beperkte ruimte en vermogen die geen extra functies nodig hebben. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Een toepassingsvoorbeeld is het gebruik in draagbare medische apparaten van klinische kwaliteit, zoals oximeters en sensorpatches, waar de OPA320 wordt gecombineerd met de OPA320-opamp van TI (Afbeelding 5). De combinatie creëert een spanningsdeler om de versterking van de versterker te regelen die de digitaal-naar-analoog omzetter (DAC) uitgang levert. De voor de hand liggende vraag is waarom niet gewoon een standaard volledige DAC gebruiken? De reden hiervoor is dat deze klinische toepassing een nauwkeurige, rail-naar-rail analoge uitgang vereist met een hoge common-mode rejection ratio (CMRR) en lage ruis, waarvoor de OPA320 is gespecificeerd op respectievelijk 114 decibel (dB) en 7 nanovolt per vierkantswortel hertz (nV/√Hz) bij 10 kilohertz (kHz).

Afbeelding 5: Een digipot kan worden gekoppeld aan een precisie-opamp zoals TI's OPA320 om een DAC te maken met superieure uitgangs-opamp-prestaties. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Daarnaast zijn er digipot interfacevarianten die het gebruik ervan vereenvoudigen in toepassingen zoals door de gebruiker bediende volumeregelaars. Twee andere opties zijn de drukknop en de up/down (U/D) interface. Met de drukknopinterface drukt de gebruiker op een van de twee beschikbare knoppen: de ene om de weerstand te verhogen en de andere om deze te verlagen. Merk op dat er geen processor betrokken is bij deze actie (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De drukknopinterface maakt een processorloze verbinding mogelijk tussen twee door de gebruiker bediende drukknoppen, wat leidt tot het rechtstreeks verhogen/verlagen van de digipotinstelling. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De U/D-interface kan worden geïmplementeerd met minimale softwareoverhead en wordt geactiveerd via een eenvoudige roterende encoder of drukknop die is aangesloten op een processor, en geïmplementeerd met een digipot zoals de MCP4011 van Microchip Technology, een basisapparaat met 64 stappen (6-bits) dat verkrijgbaar is met weerstandswaarden van 2,1 kW, 5 kW, 10 kW en 50 kW (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Een digipot zoals de MCP4011 van Microchip Technology met een edge-gestuurde U/D-besturingslijn en chip select vereist minimale I/O en softwarebronnen van de hostmicrocontroller. (Afbeeldingsbron: Microchip Technology, aangepast)

Het maakt gebruik van een enkele hoog- of laaggaande edge-trigger, plus chip-select om de weerstandstoename te verhogen of verlagen (Afbeelding 8). Hierdoor kan eenvoudig een knop worden geïmplementeerd die eruitziet en aanvoelt als een traditionele volumeregelaar, zonder de problemen die gepaard gaan met potentiometers, maar met de voordelen van digipots.

Afbeelding 8: De U/D-interface van een digipot ondersteunt flankgestuurd verhogen en verlagen van de weerstandswaarde met behulp van een trigger van een encoder met lage resolutie. (Bron afbeelding: Microchip Technology)

Tolerantie voor digipots kan een probleem zijn, omdat deze meestal tussen ±10 en ±20% van de nominale waarde ligt, wat acceptabel is in veel ratiometrische of gesloten-lus gevallen. Het kan echter een kritische parameter zijn als de digipot wordt afgestemd op een externe discrete weerstand of een sensor in een open-looptoepassing. Daarom zijn er standaard digipots met veel nauwere toleranties, tot ±1%. Natuurlijk kan, zoals bij alle IC's, de temperatuurcoëfficiënt van de weerstand en de bijbehorende temperatuurgerelateerde drift ook een factor zijn. Verkopers specificeren dit getal in hun datasheet zodat ontwerpers de impact ervan kunnen beoordelen via circuitmodellen zoals Spice. Er zijn andere opties voor krappe toleranties beschikbaar, die hieronder worden besproken.

Hoewel dit geen probleem is in statische toepassingen zoals kalibratie of biaspuntinstelling, zijn bandbreedte en vervorming wel een probleem in audio en aanverwante toepassingen. Het weerstandspad van een bepaalde code, gecombineerd met de schakelparasitiek, pin- en bordcapaciteiten, creëert een weerstand-condensator (RC) laagdoorlaatfilter. Lagere waarden van de weerstanden aan het einde leveren een hogere bandbreedte op, met bandbreedtes tot ongeveer 5 megahertz (MHz) voor een 1 kΩ digipot, tot 5 kHz voor een 1 MΩ digipot.

De totale harmonische vervorming (THD) wordt daarentegen grotendeels veroorzaakt door niet-lineariteiten in de weerstanden bij verschillende toegepaste signaalniveaus. Digipots met een hogere eind-tot-eindweerstand verminderen de bijdrage van de interne schakelweerstand ten opzichte van de totale weerstand, wat resulteert in een lagere THD. Bandbreedte versus THD is dus een afweging die ontwerpers moeten maken bij het kiezen van de nominale digipot-waarde. Typische waarden variëren van -93 dB voor een 20 kΩ digipot tot -105 dB voor een 100 kΩ digipot.

Dubbele, quad en lineaire versus logaritmische digipotvariaties

Naast hun "hands-off" bestuurbaarheid bieden digipots extra eenvoud, ontwerpgemak en veel lagere kosten dan potentiometers. Onder hun andere mogelijkheden:

• Dubbele digipots zijn handig als twee weerstanden onafhankelijk van elkaar moeten worden ingesteld, maar zijn vooral handig als ze op dezelfde waarde moeten staan. Hoewel twee aparte digipot IC's kunnen worden gebruikt, biedt het dubbele apparaat het voordeel dat weerstandswaarden kunnen worden gevolgd ondanks tolerantie en drift; er zijn ook quad-apparaten verkrijgbaar.

• Lineaire versus logaritmische (log) instellingen: terwijl trim- en kalibratietoepassingen meestal een lineaire relatie nodig hebben tussen de digitale code en de resulterende weerstand, hebben veel audiotoepassingen baat bij een logaritmische relatie om beter aan te sluiten bij de decibelschaling die vereist is in audiosituaties.

Om aan deze behoefte te voldoen, kunnen ontwerpers logaritmische digipots gebruiken, zoals de DS1881E-050+ van Maxim Integrated Products. Dit tweekanaals apparaat werkt op een enkele 5 volt voeding, heeft een weerstand van 45 kΩ van begin tot eind en beschikt over een I²C-interface met adrespennen om tot acht apparaten op de bus toe te laten. De weerstandswaarde van elk van de twee kanalen kan onafhankelijk worden ingesteld en er zijn verschillende door de gebruiker selecteerbare configuratie-instellingen; de basisconfiguratie heeft 63 stappen met 1 dB verzwakking per stap, van 0 dB tot -62 dB, plus demping (Afbeelding 9).

Afbeelding 9: De Maxim DS1881E-050+ tweekanaals digipot is ontworpen voor audiosignaalpaden en biedt een versterkingsinstelling van 1 dB/stap over een bereik van 63 dB. (Bron afbeelding: Maxim Integrated Products)

De DS1881E-050+ is ontworpen om overspraak te minimaliseren en de twee kanalen bieden 0,5 dB kanaal-naar-kanaal-matching om elk volumeverschil tussen hen te minimaliseren. Het apparaat implementeert ook nuldoorgangsweerstandschakeling om hoorbare klikken te voorkomen en bevat een niet-vluchtig geheugen, waarvan het algemene nut hieronder wordt besproken.

De maximale spanning die de digipot aankan is ook een overweging. Digipots met een laag voltage zijn beschikbaar voor gebruik met rails van slechts +2,5 volt (of ±2,5 volt met een bipolaire voeding), terwijl digipots met een hoger voltage, zoals de Microchip Technology MCP41HV31 - een 50 kΩ, 128 tap, SPI-interfaceapparaat, kunnen werken met rails tot 36 volt (±18 volt).

Niet-vluchtig geheugen helpt bij stroomresets

Basis digipots hebben veel voordelen, maar hebben één onontkoombare zwakte in vergelijking met potentiometers: ze verliezen hun instelling nadat de stroom is uitgeschakeld en hun power-on reset (POR) positie is ingesteld door hun ontwerp, meestal op het middenbereik. Helaas is die POR-instelling voor veel toepassingen onaanvaardbaar. Neem een kalibratie-instelling: als deze eenmaal is ingesteld, moet deze behouden blijven totdat deze opzettelijk wordt aangepast, ondanks verwijdering van de netvoeding of vervanging van de batterij; bovendien was in veel toepassingen de "juiste" instelling de instelling die het laatst werd gebruikt toen de voeding werd verwijderd.

Daarom was een van de overgebleven redenen om potentiometers te blijven gebruiken dat ze hun instelling niet verliezen bij een power reset, maar digipots hebben dit euvel verholpen. Het was aanvankelijk gebruikelijk om de systeemprocessor de digipotinstelling te laten teruglezen tijdens het gebruik en deze instelling vervolgens opnieuw te laden bij het inschakelen. Dit veroorzaakte echter inschakelstoringen en was vaak onaanvaardbaar voor de integriteit en prestaties van het systeem.

Om dit probleem aan te pakken, voegden leveranciers op EEPROM gebaseerde technologie voor niet-vluchtig geheugen (NVM) toe aan digipots. Met NVM kunnen de digipots hun laatst geprogrammeerde positie van de wisser behouden wanneer de voeding wordt uitgeschakeld, terwijl eenmalig programmeerbare (OTP) versies de ontwerper in staat stellen om de POR-positie (power-on reset) van de wisser in te stellen op een vooraf gedefinieerde waarde.

NVM maakt andere verbeteringen mogelijk. Bij de Analog Devices AD5141BCPZ10 bijvoorbeeld is de fout in de weerstandstolerantie opgeslagen in het EEPROM-geheugen (Afbeelding 10). Het apparaat is een eenkanaals, 128/256-positie, herschrijfbare niet-vluchtige digitale potentiometer die zowel I²C- als SPI-interfaces ondersteunt. Met behulp van de opgeslagen tolerantiewaarden kunnen ontwerpers de werkelijke eind-tot-eindweerstand berekenen met een nauwkeurigheid van 0,01% om de verhouding van de digipotsegmenten "boven wiper" en "onder wiper" te definiëren. Deze nauwkeurigheid is honderd keer beter dan de 1% nauwkeurigheid van nog nauwkeuriger digipots zonder NVM.

Afbeelding 10: De AD5141BCPZ10-digipot van Analog Devices heeft een herschrijfbaar niet-vluchtig geheugen (EEPROM) dat kan worden gebruikt om de gewenste power-on-resetinstellingen op te slaan, evenals kalibratiefactoren voor de eigen weerstandsarray. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Deze lineaire versterkingsmodus maakt het mogelijk om de weerstand tussen de digitale potentiometeraansluitingen onafhankelijk te programmeren via de R_AW- en R_WB-stringweerstanden, waardoor een zeer nauwkeurige aanpassing van de weerstanden mogelijk is (Afbeelding 11). Een dergelijke nauwkeurigheid is vaak nodig voor bijvoorbeeld inverterende versterkertopologieën waarbij de versterking wordt bepaald door de verhouding tussen twee weerstanden.

Afbeelding 11: Het NVM in een digipot kan ook gebruikt worden om gekalibreerde weerstanden boven en onder de wiper op te slaan voor schakelingen die precieze weerstandsverhoudingen gebruiken om de versterkerversterking in te stellen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Wees alert op digipot eigenaardigheden

Hoewel digipots veel gebruikt worden om potentiometers te vervangen als het traditionele apparaat minder wenselijk of onpraktisch is, hebben ze een aantal eigenschappen waar ontwerpers rekening mee moeten houden. De metalen wiper van een potentiometer maakt bijvoorbeeld contact met het weerstandselement met een contactweerstand van bijna nul en heeft meestal een verwaarloosbare temperatuurcoëfficiënt. In het geval van een digipot is de wisser echter een CMOS-element met een bescheiden, maar nog steeds betekenisvolle weerstand in de orde van tientallen ohms tot 1 kΩ. Als er 1 milliampère (mA) stroom door een wisser van 1 kΩ gaat, kan de resulterende daling van 1 volt over de wisser het dynamische bereik van het uitgangssignaal beperken.

Bovendien is deze wisserweerstand een functie van zowel de toegepaste spanning als de temperatuur, waardoor niet-lineariteit en dus vervorming van AC-signalen in de signaalweg wordt geïntroduceerd. De typische temperatuurcoëfficiënt van de wisser van ongeveer 300 deeltjes per miljoen per graad Celsius (ppm/⁰C) kan aanzienlijk zijn en moet worden meegenomen in het foutenbudget voor ontwerpen met hoge precisie. Digipot-modellen worden ook aangeboden met een veel lagere coëfficiënt.

Conclusie

De digipot is een digitaal ingesteld IC dat de klassieke elektromechanische potentiometer vervangt in veel systeemarchitecturen en circuitontwerpen. Het vermindert niet alleen de productgrootte en de kans op fouten door onbedoelde beweging, maar het is ook compatibel met processors en dus software, terwijl het een grotere nauwkeurigheid en hogere resolutie biedt (indien nodig), samen met andere nuttige functies.

Zoals aangetoond zijn digipots verkrijgbaar in een breed scala van nominale weerstandswaarden, stapgrootten en nauwkeurigheden, terwijl de toevoeging van een niet-vluchtig geheugen hun mogelijkheden uitbreidt en een belangrijke barrière voor hun gebruik in veel toepassingen wegneemt.

Verder lezen

1. IC's beantwoorden de uitdaging van het dimmen van LED-lampen in TRIAC-gestuurde schakelingen