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％。