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數字電位器的可靠性遠遠高于機械電位器，能夠輕松保證50，000次以上的可靠讀寫次數，而機械電位器的重復調節次數只能達到幾千次甚至幾百次。數字電位器的分辨率為32級（5位）至256級（8位）或更高。對于LCD對比度調節等動態范圍要求不高的應用，選擇較低分辨率的器件即可滿足實際應用的要求。目前，有些高分辨率的數字電位器已經成為音頻等高保真應用的理想選擇，能夠提供高達90dB的動態調節范圍。 簡介 自電子電路的早期階段開始，電位器就得到了廣泛的使用，使用它可方便地校正系統、調節放大器內的偏移電壓或增益、調諧濾波器以及控制屏幕亮度等。機械電位器本身存在一些固有的局限性，比如：尺寸大小、機械磨損、游標污染、電阻漂移、對振動和濕度敏感以及布局缺乏靈活性，這一切都是由其物理結構所決定的。 數字電位器旨在解決所有上述問題，提供更高的可靠性和精度，電壓毛刺更小。目前，只有在數字電位器不適用的環境中（比如：高溫環境或大功率應用場合），才會使用機械電位器。 將兩種技術進行對比是辨別系統最佳解決方案的最簡單方法。 結構 機械電位器 機械電位器由一個很大的電阻元件組成，在外部通過兩個端子相連接。電阻元件的形式多種多樣，根據所采用的技術，其封裝方法也不同�？梢詾閱稳蚨嗳�，或者簡單的扁平型封裝。 第三個端子也稱為游標，它可在整個電阻元件上移動，來選擇每個外部端子與游標之間的電阻大小。在游標和電阻元件之間存在著較小的接觸電阻，通常稱之為游標電阻（如圖1所示）。 
圖1. 機械電位器 數字電位器 數字電位器由一個電阻元件陣列組成，該陣列的終端通過兩個端子（A和B）與外部相連。在兩個無源電阻的結點處，有一個開關。這些開關通過與外部端子（稱之為游標或W）結合的單個觸點互相連接（如圖2所示）。
圖2. 數字電位器 由于這些開關通過互補金屬氧化物半導體（CMOS）加工工藝設計而成，因此允許電流以任意方向流動。這些開關由一個數字模塊控制，并且一次只能接通一個開關。通過與機械電位器進行類比，寄生開關電阻也可稱為游標電阻。 結構綜述 機械電位器更容易受到物理環境變化（比如：振動、沖擊和游標污染）的影響，這一切都是由其物理結構所決定的。而擁有整體結構的數字電位器，在所有上述情況下，都不會受到影響. 調節 機械電位器 從理論上來說，由于游標可在整個電阻上移動，因此，機械電位器可提供無限的分辨率；但是調節電阻時所形成的各物理因素（比如：螺絲刀壓力或材料間的摩擦）會使精度下降，這樣就會造成電阻的最終值準確度較低。 需要注意的是，重新調節的最大次數或平均故障間隔時間（MTBF），通常都不超過幾千次。 數字電位器 游標位置取決于RDAC寄存器中的內容，在寄存器中寫入內容的次數沒有限制。如圖3和圖4所示，使用SPI、I2C或up/down等數字接口、手動使用按鈕開關或數字編碼器，都可將內容寫入RDAC寄存器。
圖3. 按鈕接口
圖4 使用數字編碼器控制Up/Down接口 數字電位器類似于機械電位器，如果事先對其進行調節，則在上電時，它可儲存RDAC代碼。ADI公司的數字電位器提供三種不同的存儲器技術：熔絲、EEPROM、易失性數字電位器 。 熔絲 類似于在機械電位器上放置環氧樹脂，熔絲對于只需設定一次的系統校準來說是理想之選。ADI公司提供1到50次的可編程熔絲存儲器。 EEPROM EEPROM耐久性達100萬周期，數據保存期限100年，對于需保留最近編程值（如：音量控制應用）的系統來說，EEPROM是理想的選擇。 易失性 RDAC寄存器默認在中間電平時加載，如果電源斷開則無法保持該電阻大小。動態系統會持續重新校準輸出，因此易失性數字電位器是此類系統的理想之選。它無需恢復之前的數值，或者也可以在上電/復位時，用控制器來設置數值。 電阻元件 機械電位器 由于電阻元件采用的可能是各種不同的材料（比如：金屬陶瓷、石墨或導電塑料），因此，電阻的大小就可能為數十歐乃至兆歐，在額定誤差范圍內得到保證。 該誤差被稱為電阻容許誤差，根據電位器材料的質量和所采用的不同工藝，它會上下波動。典型值范圍在±30%和±10%之間，更高品質電位器的誤差可低至±3%. 另外一種誤差是由于電阻元件的溫度所造成的。該種依賴性可大可小，它取決于材料。最終電阻值會隨溫度而成比例變化。該誤差被稱之為溫度系數或tempCo. 線繞電阻等較新材料的溫度系數可低至10 ppm/°C.而舊的機械電位器所采用的材料為石墨，但其溫度依賴性高達500 ppm/°C. 存在一些與材料相關的限制（比如：最大功耗，可小至幾毫瓦，大至數百瓦）。無論情況如何，電阻終端之間的電壓都與功率成正比。該電壓大小可為數十伏，也可為數百伏，甚至上千伏。 一般而言，機械電位器中電壓和電流的額定值雖然較高，但它們與環境溫度成反比例關系。設計者應當基于最終應用中的預期最高溫度來驗證電位器是否能夠處理最大估計功率。 表1顯示的是機械電位器（根據所使用的材料進行分類）的所有特性，以供快速參考。 表1：機械電位器的材料對比
ADI公司提供最寬的阻值可選范圍：1k至1M。 電阻容許誤差之前為±20%，但現在已經有所下降。ADI公司目前提供容許誤差為±8%的電阻，或經校準后容許誤差為±1%的精密電阻。 另外，具有非易失性EEPROM的數字電位器通常可存儲容許誤差，這些誤差可通過控制器讀回，并被用于校正外部電阻。 任意給定代碼下的溫度依賴性和溫度系數，都取決于兩個因素：電阻元件和開關電阻。開關電阻較小，但在較低代碼處，所選擇的電阻也很小時，由于阻值非常接近，開關電阻變得很明顯。開關電阻的溫度系數所影響到的代碼數，直接取決于標稱電阻值，該區域的典型溫度系數約為600 ppm/°C. 電阻元件所采用的主要材料有兩種：多晶硅或薄膜金屬。 多晶硅是一種常用材料，它與石墨類似，對于溫度的依賴性非常高，溫度系數高達600 ppm/°C.薄膜金屬電阻的溫度系數則較低，大約為35 ppm/°C.ADI公司數據手冊中給出了任意給定代碼下的溫度系數圖表。 由于尺寸較小，數字電位器的功耗也很小，在數十毫瓦以內。與機械電位器相比，在所有溫度范圍內，該功率保持恒定。數字電位器最大端電壓由供電軌來限定。就不同的數字電位器而言，其電壓范圍可從2.3V至33V.但是，任何情況下，最大電流通常都不會超過幾毫安。 附加技術規格 使用數字電位器時，開關會引入一些與機械電位器不相關的技術規格。 由于開關中存在寄生電容，所以有帶寬限制。這也就決定了，在游標內，可穿過電阻端的最大信號頻率的衰減量小于3dB.該傳遞公式與低通濾波器相似。 電容與所選擇的標稱電阻無關，而僅僅取決于內部開關設計。因此，使用較低的標稱電阻值可獲得較高的帶寬。表2為一個示例。 表2 AD8400最大頻率和標稱電阻
游標電阻的非線性度會增加諧波失真程度。總諧波失真（THD）衡量信號在通過電阻后所下降的程度。圖5顯示了一個放大的圖示。
圖5. THD效應 例如，如果總諧波失真（THD）為-80 dB，則信號下降程度為10-80/20 = 0.1 mV/VIN，因此如果信號為1 V p-p，則總信號失真為0.1 mV × 2 = 0.2 mV. 數字電位器的總諧波失真范圍為-60 dB到-106 dB，是音頻應用的理想選擇。 非易失 有些應用要求數字電位器具備非易失存儲功能，兩種類型的器件（易失和非易失存儲器）在市場上都很普及。非易失數字電位器更接近于機械電位器，它能夠在不同的外部條件（是否有外部電源供電）下保持阻值。 音頻設備需要內部儲存音量設置，設備重新上電時要求電位器保持相同的電阻值，即使在電源完全關閉的情況下。 MAX5427/MAX5428/MAX5429系列數字電位器提供獨特的編程功能。這些器件為具有一次性編程（OTP）存儲器，將電位器抽頭的上電復位（POR）位置設置在用戶定義的數值（抽頭位置保持可調，但重新上電后始終返回到固定的設置位置）。此外，OTP還可以禁止接口通信，將抽頭鎖存到所要求的固定位置，避免進一步的調節。這種情況下，器件成為一個固定比值的電阻分壓器，而非電位器。 音頻設計考慮 電位器具有對數抽頭和線性抽頭，高保真音頻設備的音量調節一般選用對數電位器，因為考慮到人耳的非線性濾波特性，對數抽頭可以獲得線性音量調節。目前，高集成度數字電位器可以在單芯片內集成六路獨立的電位器，以支持多聲道音頻系統，例如：立體聲、杜比環繞立體聲系統。 音頻應用中，特別是在數字電位器調節分辨率較低（32級）時，需要特別注意抽頭級間變化過程。如果抽頭不是在0V時發生變化，音頻系統會產生喀嗒聲和噼噗聲（圖6）。幸運的是，新一代數字電位器具有所謂的過零檢測功能，能夠在抽頭跳變時降低音頻噪聲。內部過零和超時檢測電路確保抽頭在檢測到過零（0V）信號或經過50ms延時（具體取決于首先發生的條件）后跳變。
圖6. 在0V電平切換時，音頻喀嗒聲和噼噗聲的影響 除了上述數字電位器中的模擬電路外，每個數字電位器還包含一個數字接口。絕大多數電位器可通過傳統的I²C或SPI™編程，有些則提供便利的上/下調節接口。 性能改善 與機械電位器相比，數字電位器還具備另一優勢。數字電位器的調節抽頭直接安裝在電路板的信號通路，利用電子調節避免了復雜、昂貴的機械調節裝置。數字電位器改善了噪聲抑制指標，消除了機械電位器接口電纜的拾取噪聲。 傳統的數字電位器可直接替代機械電位器，具有相同的工作方式，無需過多的說明。但是，在一些特殊應用中，例如：低成本立體聲音量控制，需要一些附加說明。對于音頻這一特殊應用，一般要求工作在較寬的電壓范圍，以支持較寬的音頻信號范圍。一般選擇對數抽頭，抽頭級數增加時，衰減分貝數隨之增大，非常適合人耳的頻響特性。有些器件具有靜音功能，提供更大的衰減（例如：30dB）。 溫度考慮 數字電位器的典型參數之一是溫度系數（TC），定義在額定的溫度范圍。絕大多數電位器需要定義兩個不同的TC，一個是絕對端至端TC，該參數代表了電阻隨溫度變化的絕對值，由下式計算： ΔR = RUNCOMP × TC × ΔT/106 其中： RUNCOMP是未經補償的電阻值， TC為溫度系數， ΔT為溫度變化量。 例如，一個阻值為20kΩ的數字電位器，如果絕對TC為35ppm，則在50°C溫度變化范圍內將會產生35Ω （0.2%）的阻值變化。另外，20kΩ端到端電阻的初始值可能變化比較明顯，變化范圍可能在15kΩ至25kΩ。這種情況下，對于一個32抽頭的電位器，每級對應的電阻值（增量）可能在470Ω至780Ω。這一變化量遠遠高于絕對TC的偏差。 另一個典型TC時電阻比值TC，電位器通常用作分壓器，特別是在比例設計中，對于絕對電阻值變化（絕對溫度系數）的要求與比值變化相比并不嚴格。例如，5ppm的比例TC能夠在整個溫度范圍內獲得非常穩定的增益。 高分辨率應用 數字電位器用于可編程增益放大器（PGA）和儀表放大器（IA）時，對精度的要求通常高于標準調節電路（圖7）。這些應用中一般要求在-40°C至+85°C范圍內，分壓比誤差（精度）在0.025%以內。
圖7. 利用運算放大器和數字電位器（下方IC）構成精密的可編程增益放大器 結論 數字電位器與機械電位器相比具有眾多優勢，除了提高可靠性外，它們還占用更少的空間；由于降低了寄生效應，數字電位器能夠提供更好的電特性，并且不易受噪聲的影響。 數字電位器能夠在各種應用中替代機械電位器，使設計人員和最終用戶受益。 來源：電子工程網 |
