如何提高数字电位器的带宽

1 引言
    数字电位器可广泛用于控制或调整电路参数。由于数字电位器本身带宽的限制．只能用于直流或低频应用。其典型一3 dB带宽在100 kHz至几MHz内，具体数值与型号有关。然而，通过采用下面介绍的简单方法，可以将电位器的信号带宽从10倍提高到100倍，可以获得4 MHz的O．1 dB带宽以及25 MHz以上的一3 dB带宽。这样可使数字电位器用于视频或其他高速应用领域。

2 有限的调整范围
    在许多应用中，数字电位器用于信号微调，而无需从0％到100％的满量程调整，例如：一次性工厂校准等。在这些应用中，数字电位器一般提供10％以下的调整范围。正是借助这一有限的调整范围来提高数字电位器的带宽。

3 典型应用电路
    图1为电位器典型的电路配置，图中，数字电位器用于改变信号的衰减量。R2为数字电位器，Cwiper为寄生电容，该电容是所有数字电位器固有的，它限制电路带宽。当电位器在0至满量程之间摆动时，R1和R3用于限制数字电位器引起的信号衰减。

    需要说明的是：由于该电路采用运算放大器，可用于信号放大和衰减。因此，以下介绍的提高带宽的方法与所选电路拓扑无关。为计算电路的传输函数(VOUT/VIN)，可使用不同模式的电位器，见图2。图中，R2被分为R2top和R2bottom，其中，R2top是电位器触点以上的电阻，R2bottom是电位器触点以下的电阻。假设使用的电位器具有10 kΩ的端到端电阻(忽略触点电阻的影响)，R2top和R2bottom是相对于数字编码的理想传输函数，如图3所示。传输函数的两个端点和中点：当电位器编码为0时，R2top=10 kΩ，R2bpttom=0kΩ；而当电位器编码处于中间位置时，则R2top=R2bottom=5 kΩ；当电位器编码处于满标位置时，R2top=0 kΩ，R2bottom=10 kΩ。

    由图2得出VOUT/VIN的直流传输函数：

    VOUT/VIN=(R3+R2bottom)/(R1+R2+R3)    (1)

式中：R2=R2top+R2bottom

    假设R2=10 kΩ(常用数字电位器电阻值)，如果希望把输入信号衰减到任意电平，例如，输入值的70％±5％(输入值的65％～75％)。然后，运用相关运算，调整范围为65％~75％，标称值f中间位置)为70％：R1=24．9 kΩ且R3=64．9 kΩ。

4 典型应用电路的带宽
    利用式(1)中的R1和R3电阻值，假设Cwiper=10pF，获得表l所列的带宽。实际触点电容在3～80 pF内，并与触点电阻、步长数、采用的IC工艺及电位器体系结构等有关。3～5 V供电、32至256步长的10 kΩ电位器的典型电容值为3～10 DF。

    *注意，带宽与触点电容成反比。采用3 pF Cwiper，带宽频率将提高3.3倍对于视频等应用，这些带宽还是过低。
    需要注意的是，这里分析基于的假设是：触点电容与电位器电阻并联，由此限制电位器的带宽。该方法是最直接的电位器使用方式，如果采用更复杂的电位器配置，可能会进一步限制带宽。因此，讨论提高带宽非常有必要，即使实际带宽未达到预期目的。

5 提高电路带宽
    提高电路带宽最明显方法是选择较低阻值的数字电位器，例如，1 kΩ电位器，按比例调整R1和R2(1 kΩ电位器与10kΩ电位器相比，阻值减小10倍)。然而，低阻值数字电位器(1 kΩ)一般占用较大的裸片面积，意味着较高成本和较大封装尺寸，出于这一原因，1 kΩ电位器的实际应用非常有限。如果某一电位器能够满足设计要求，10kΩ电位器的带宽会随着电阻的减小而线性提高，例如，提高10倍(假设杂散触点电容无变化)；或使用1 kQ电位器，设置Rl=2.49 kΩ，R3=6．49kΩ，触点电容为10 pF，电位器设在中间位置，可获得1．15MHz的—0.1 dB带宽，及7．6MHz的-3dB带宽。这比表l中的带宽提高10倍。

6 使用10 kΩ电位器，改变电路拓扑
    与1kΩ电位器相比，选择5kΩ和10 kΩ电位器可能是更好的解决方案，可以获得更小封装的电位器，从中选择易失或非易失存储器，也有更多的数字接口(up／down、I2C、SPITM)以及调整步长(32、64、128、256等)可供选择。出于这一原因，设计实例选用10 kΩ端到端电阻的电位器。假设成本、体积、接口以及电位器调整步长等因素的限制，需使用10 kΩ端到端电阻电位器，这种情况下提高典型应用电路的带宽的方法是去掉电阻R1和R3，使用步长数多于该电路要求的电位器。例如，32步长电位器获得10％的调整范围，按照上述介绍，可以选择替换这一步长的电位器，而使用256步长电位器，去掉R4和R6，限制电位器的调整范围在达到要求衰减的编码65％～75％内。所使用的编码是从0．65×256 (使用166)到编码0．75×256(192)。该实例使用一个256步长的电位器；由于有限的编码将可用步长数限制在26，即10％的调整范围，仅用了256步长的10％。

    与32步长电位器相比，该方法的缺点是256步长电位器成本较高，故可选用封装尺寸较大的电位器。假设Cwiper为30 pF，VOUT/VIN=0．70，处于调整范围的中点，图4电路中有384 kHz的-0．1 dB带宽，879 kHz的-0．5 dB带宽，2．52 MHz的一3dB带宽。与表1相比，其带宽提高3倍。另一种成本更低、性能更好的方案是在图图5最初电路使用两只并联电阻(R4和l电路中加入分立电 R5)，与图l和图2相比带宽增大100倍阻，如图5所示。

7 使用并联电阻降低电路阻抗
    电路中增加并联电阻(注意，使用图2中引入的数字电位器模型)。降低电路阻抗(提高带宽)，通过设置电路增益，限制由数字电位器在0编码到满标编码之间摆动时导致的衰减，可以达到双重目的。
    设置电位器电路增益，使用并联器件限制其调整范围(R4和R5，而不是简单串联R1、R2和R3)，其电路带宽优于图1带宽。还需要注意，电阻R1、R2和R3还会影响电路增益，但由于其串联电阻要比R4和R5大得多，这种影响非常小。可以通过简单示例来说明R4和R5对图5电路的影响。在图6(a)中，电路上部电阻采用了图中方程给出的电阻组合值。注意，由于R4是与R1和R2top并联，它降低了电路阻抗。

    在图6(b)中，电路下部电阻采用了图中方程给出的电阻组合值。注意，由于R5是与R3和R2bottom并联，降低了电路阻抗。正是较低的电路阻抗使得带宽大大提高，达到设计目标的要求。图7结合了图6中的简化示例，给出了VOUT/VIN传输函数。从该图中可以清楚看到，通过降低电路阻抗(R2top小于R1+R2top，R2bottom小于R2bottom+R3)，提高了电路带宽。

8 实际值
    实际设置R1、R3、R4和R5的阻值，可以对比图l电路的带宽，从而确定R4和R5对电路性能的影响。使用图6(b)中的方程，得出R1、R3、R4和R5的阻值，然后计算最终带宽。使用表格，可以找到满足图6(b)中方程的元件值：R1=3．48 kΩ、R2=10 kΩ、R3=4．53 kΩ、R4=l kΩ、R5=2．8 kΩ。采用这些元件值得出了表2所列的带宽。注意，这些结果要比图1电路提高100倍。

    *注意，带宽与触点电容成反比。例如，采用3 pF Cwiper，带宽提高3.3倍。

9 结语
    介绍了在窄带数字电位器中简单加入并联电阻以提高系统带宽的方法，显著提高系统性能(带宽可提高100倍)。设计前提是假设实际应用允许降低电位器的控制范围，以提高带宽。带宽提高后，数字电位器可用于以前无法涉及的高频领域，例如视频信号链路控制等。