可变增益放大器通常使用机械电位器来设置增益。一个例子是音量控制拨号盘。然而，当信号路径是数字控制时，可以使用数字电位器来控制增益。本文讨论了使用数字电位器形成数字控制增益或滤波块。

一般

在整个关于数字电位器的讨论中，使用的术语是EPOT，而不是数字锅、EEPOT或E(2) pot。术语EPOT描述了Maxim系列易失性数字电位器，而其他术语描述了在几种不同工艺之一上制造的各种非易失性和易失性设备。这些不同过程如何影响数字电位器性能的细节不在本文讨论范围之内。虽然下面给出的公式可以应用于所有数字电位器电路，但有关额定电压和额定电流的特殊考虑是专门针对Maxim的EPOT设备的。

尽管设计人员需要遵守与半导体器件相关的标准约束(即，绝对最大额定值)，但在运放电路中使用pots时，工程师应该牢记它们的一些特定特性。

首先要记住的是，数字电位器的端到端电阻或绝对电阻的公差通常规定为最大±25%至±30%。这主要是由于过程变化造成的，本文将讨论处理这种情况的技术。

另外需要考虑的是EPOT“雨刷”的特性。EPOT中的“雨刷”实际上是一串CMOS开关，并将表现出典型的特性。雨刷的重要规格包括其电阻、电阻变化、最大额定电流和温度系数。例如，MAX5400的雨刷电阻指定为典型值250 欧姆，但最大值为800 欧姆。刮水器(以及EPOT中电阻的其余部分)的绝对最大额定电流为1mA。应注意不要超过此电流额定值，因为过大的电流会损坏设备。最后，雨刷的温度系数通常约为±300ppm/°C。

最后一个EPOT需要考虑的问题是，在接近调整范围的两个极端时，它将如何表现。例如，当将EPOT设置为较高或较低的设置之一时，ESD结构(如雨刷特性)可能会开始严重影响性能。一般的经验法则是尝试将EPOT设置在满量程的10%到90%之间。

一般来说，这里描述的原则适用于Maxim系列中的所有pots。为了说明目的，选择了256个tap EPOT。在内部，EPOT被视为一串电阻，CMOS开关“敲开”该串。在线性点沿电阻串的间距是均匀的，在对数锥形点，间距将是对数。因此，具有给定数(m)个抽头的EPOT具有少一个电阻(m-1)。出于本文讨论的目的，变量“n”是指EPOT的绝对设置(即0到31或0到255等)，“n”是指EPOT设置与其最大值之比(即0到1)。例如，在具有256个轻拍的线性锥度EPOT中，设置n = 89将得到n = 0.3490，即89/255。“Re”是指EPOT的端到端总电阻，因此EPOT可以被认为是两个值为N × Re和(1-N) × Re的电阻。此外，增益方程在本文中作为变量“N”的函数表示为G(N)。总可调整范围为G(0)<= G (N) & lt;= G(1)或为G(1)<= G (N) & lt;= G(0)，如适用。

非反相配置

电路1是使用EPOT作为可变电阻的非反相增益配置。在这个电路中，刮水器连接到EPOT的一侧，有效地短路了设备的(1-N) × Re侧。因此，反馈电流流过雨刷和与N × Re相关的EPOT部分。该电路具有相对于N的良好线性增益调节曲线，但EPOT的一些特性使该电路存在一些缺点。

图1 a。电路1。

一个缺点是，因为反馈电流流过雨刷，它的电阻(以及电阻随温度的变化)以及它的最大额定电流(通常约1mA)可能会限制该电路的应用。另一个缺点是端到端电阻Re是增益方程的一部分，导致Re的±25%公差在增益中贡献了±25%的方差。从数学上讲，Re中25%的误差对总增益的最大可能贡献是25%。当然，随着增益方程中的Re/Ri项变小，“1”项开始主导增益，作为Re容限的函数的误差也变小。

图1 b。电路1的增益，Re = 50k, Ri = 10k。

电路1适用于对成本敏感的系统，可以忍受总体增益的容忍度有些宽松。与这里看到的许多电路一样，这包括像音量或亮度控制这样的电路，用户可以根据个人喜好反复调整电路。另一个有用的应用是在自动增益控制电路中，其中数字或自动增益控制用于对系统输出进行增益补偿。例如，APD电路可以使用数字或自动增益控制来高精度地控制光电二极管的偏置。在这样的电路中，自动增益控制技术将Re的容差(在EPOT中)排除在外。

另一种可能的结构如电路2所示。在这里，雨刷连接到使用EPOT作为一种可变分压器的运算放大器的高阻抗输入。通过将刮水器连接到这个高z输入端，流过刮水器的唯一电流将是运算放大器的输入偏置电流。该电流通常非常小(通常在pA和uA之间)，因此雨刷器几百欧姆电阻的任何变化都可以忽略不计。

图2 a。电路2。

此外，增益方程顶部和底部的Re项相互抵消，只留下n的函数，这完全消除了增益方程中端到端电阻的影响。

不幸的是，这个电路有一个很大的缺点。增益调整相对于N是非线性的。电路2的G(N)图如图2所示。通过推导G(N)的斜率为G'(N) = 1/(1-N)(2)，可以看出斜率也是N的函数，因此在N的选定范围内甚至不是分段线性的。在反相配置一节中，讨论了使用该电路并抵消其固有非线性的几种方法。

图2 b。电路2的G(N)

电路2在许多与电路1相同的系统中是有用的(即，音频控制，亮度控制，AGC回路等)。除了在电路1中看到的应用之外，缺乏对Re的依赖和雨刷的电阻使其成为校准调整的优秀电路。还请注意，在电路2中，增益步长主要集中在从1到2，但仍然有可能获得更高的增益。虽然很少，但一些校准应用可能需要一段时间的高增益，然后是一段非常精细调谐的低增益。一个例子可能是测量血压袖带中的气压。在这样的系统中，当膨胀启动时，压力非常低，测量主要用于检测故障(高增益)。一旦袖带完全充气，测量用于检测袖带压力随时间的微小变化。使用电路2的AGC回路可用于优化血压测量期间的ADC动态范围。校准在生产时完成，以补偿机械和传感器偏差。

反相配置

在非反相配置中使用的原理也可以应用于反相运放电路。在电路3中，增益仅仅是反馈路径上的视电阻除以输入电阻。

图3。电路3。

该电路的优点是具有作为N函数的线性增益调整，如图3b所示。

图3 b。当Re = 50k, Ri = 10k时，电路3的G(N)。

这个电路与电路1中看到的有相同的缺点。它对Re容限的依赖稍有不同因为增益方程稍有不同;增益将随Re公差的变化而变化±25%。这个电路在类似于电路1和电路2的反相应用中是有用的。

就像电路2一样，电路4不容易受到电路1和3所提到的缺点的影响。由于顶部和底部的Re项在增益方程中相互抵消，因此增益仅取决于n。因此，在电路4中，绝对电阻中的误差被有效地抵消了，这使得它对于具有端到端电阻宽容限的点具有吸引力。此外，运算放大器的输入偏置电流通常在pA到uA之间。有这么少的电流流过它，雨刷的电阻，漂移与温度和最大电流规格将不会是一个因素，在这个电路。

图4。电路4。

该电路的增益如图4b所示。这个电路和电路2有同样的缺点，它的增益调整在整个n范围内是非线性的，这个固有的非线性增益调整并不妨碍它的有用性。该电路将非常适合在需要反相放大器的相同应用中，如电路2。例如，这可能非常适合具有用户反馈的应用程序，例如音量控制或显示亮度控制电路，以及校准电路或AGC电路。

图4 b。G(N)用于电路2，具有256分接EPOT。

然而，有些系统甚至需要增益步长作为n的函数。下面，给出两种方法来线性化电路4的增益。

用电阻线性化电路4的增益

在电路5中，电阻已被添加到输入路径和反馈路径，以“平坦”增益图。在该电路的G(N)图中，显示了它的增益和电路4的增益。为了清楚起见，省略了最后50点。该图显示了增益曲线如何在牺牲调整范围的情况下“变平”。

图5。电路5。

通过在输入路径和反馈路径上添加电阻，最小增益(N = 0)提高，最大增益(N = 1)降低，有效地压缩了可用增益范围。例如，在图中显示的增益可以从1到3调整，而不是从0到255相应的电路4。

图5 b。电路5的G(N)， Ri = 50k, Rf = 100k(黄色)。为了说明，电路4的G(N)也显示为(蓝色)。

该电路还具有将雨刷器连接到高阻抗运放输入端的优点。此外，虽然增益不会像电路3那样是完全线性的，但通过大大减少通过雨刷器的电流，雨刷器的特性对性能的任何影响都被排除在等式之外。

这个电路最大的缺点是通过在增益方程中加入Ri和Rf，电路4中消去的Re项在这里不能消去。电路4的一个优点是增益方程中的Re项相互抵消，使得端到端电阻的大容差无关紧要。然而，对于电路5,Re项不能被抵消，EPOT端到端电阻的偏差将影响总体增益。端到端电阻偏差的确切影响将取决于Rf和Ri与Re的比值。使Rf和Ri相对于Re较大可以使这种影响最小化，但会妨碍可用的调整范围。在图5b中使用的示例中，Re增加25%使最小增益为0.88而不是1，最大增益为3.25而不是3。Re降低25%，最小值为1.14，最大值为2.75。

用软件补偿线性化增益的设计实例

大多数系统使用微控制器来控制EPOT的设置，因此，这里的电路增益通常由软件控制。此外，虽然本文使用了256步进波特来进行说明，但许多系统的增益只需要20到30步。利用软件和电路4所示配置的256步EPOT，通过软件补偿可以很容易地完成线性增益调整曲线的20至30步。本文给出了一个软件补偿、反相和增益可调运放电路的设计实例。

本设计的目标是具有以下性能特征:

• 雨刷没有电流。

• 线性增益调整曲线，误差小于3%。这比32分接EPOT的1 LSB要好。

• 消除对绝对阻力Re的依赖。

为了满足这些设计要求，提供了以下步骤。基本思想是在期望的最小增益和最大增益之间选择最优的增益步数。

1.选择最大和最小增益。对于本例，选择的最小值为2，最大值为10。经验测试表明，这种方法在增益高达20左右的情况下非常有效。

2.找出实际可能的最大增益。实际最大增益是方程G(n) = n/(256-n) n = 0,1,2…的解的增益。

对于这个例子，求解G(n) = 10得到n = 232.72。因为只有n的整数值可用，所以选择n = 233。实际最大增益为G(233) = 233/(256-233)= 10.13。

3.求斜率m。斜率m也可以称为步长，因为它将与n值之间的增益步长相关。推荐的方法是使用感兴趣范围内最后5个n值的平均增益变化。即m = [G(n(max))-G(n(max)-5)]/5。

使用最后5个值的决定有些武断，设计师被鼓励尝试使用其他值。对于这个例子，m = [G(233)-G(228)]/5 = 0.398。

4.找出实际可能的最小增益和步骤数。为了确定最小增益是正在创建的线的可能解，可以求解y = mx+b的方程。由于使用的是离散系统，只需找出最大增益和预期最小增益(在步骤1中选择)之间的步数，其中最大步数= [G(n(max))-G(min)]/m。

对于本例，max steps =[10.13-2]/0.398 = 20.4。同样，只有一个离散的步数可用，因此将结果四舍五入以将最大步数增加到21。因此，实际的最小增益将是21步，每步0.398小于最大增益或Gmin = G(n(max)) - (max steps) × m = 10.13 - (21 × 0.398) = 1.772。

5.求截距b。b或y截距的值就是最小增益。

结果是方程f(x) = 0.398x + 1.772，其中x = 0,1,2…21。这个方程可以用来找到n的值或EPOT设置，用来得到这个直线增益曲线。这可以通过求解G(N) = N /(256-N) = f(x)来实现。实际的实现取决于设计人员，但基本上选项是使用查找表或动态求解n的值。

下面是这个例子的增益图，它是x的函数。

图6。增益曲线的软件补偿实例。

与理想直线的偏差如下图所示。

图7。偏离理想的百分比。

总结

在本文中，讨论了简单的EPOT可调增益块配置，以及每种配置的优缺点。EPOT具有在设计中使用时必须考虑的重要特性。防止这些特性限制电路性能的最干净的方法之一是非线性增益调整曲线，这可能不是理想的。最后，给出了对非线性曲线的两种补偿方法。这将允许EPOT以一种方式使用，其中许多约束不是一个因素，线性增益仍然是可以实现的。