Digitale Analog-Bauelemente - All
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electronica-VORBERICHTE Digitale Potentiometer im Überblick Digitale Analog-Bauelemente Immer dann, wenn es um den Ersatz mechanischer Potis geht, wenn die Systemzuverlässigkeit oder das Temperaturverhalten verbessert werden sollen, wenn aus Kostengründen kein Systemprozessor zum Einsatz kommen darf oder wenn im Audiobereich Störgeräusche gesenkt werden müssen, dann sind digitale Potentiometer interessant. elektronik industrie gibt einen Überblick und erklärt auch, welche Vorteile sich mit diesen Digipots beim Design, in der Fertigung und im Feld ergeben. Digitale Potentiometer (Digipots) vereinfachen die digitale Regelung sowie die Einstellung von Widerständen, Spannungen und Strömen in analogen Schaltungen. Verbreitete Anwendungen sind beispielsweise die Kalibrierung der Versorgungsspannung, der Lautstärkeregelung, die Helligkeitsregelung, die Verstärkereinstellung sowie die Einstellung von Ruheund Modulationsströmen in optischen Modulen. Jenseits der Basisspezifikationen von digitalen Potentiometern gibt es eine Anzahl von Eigenschaften, welche die Systemmerkmale verbessern und die Entwicklungen vereinfachen. Innerhalb dieser Eigenschaften gibt es unterschiedliche Typen von nichtflüchtigen Speichern, Nulldurchgangserkennung, entprellte Schnittsstellen für Drucktasten,Temperaturkompensation und Schreibschutz. Die Bedeutung jeder dieser Eigenschaften variiert mit der Anwendung. Ein echtes Potentiometer ist ein dreipoliger IC-Baustein (Bild 1a). Der untere Anschluss, VL, ist entweder intern mit der IC-Masse verbunden oder er wird aus Gründen der Entwicklungsflexibilität herausgeführt. Bei diesen dreipoligen Digipot-Konfigurationen handelt es sich im wesentlichen um einstellbare Widerstandsteiler mit einem festen durchgehenden Widerstand. Ein variabler Widerstand ist eine zweipolige Digipot-Variante, bei der der Schleifkontakt intern mit einer Seite des Poten- ˘ AUTORIN Kate Shamberger arbeitet als Field Applications Engineer bei Maxim Integrated Products in den USA. Die deutsche Version des Beitrags stammt vom Distributor Spezial Elektronik. 28 tiometers verbunden ist (Bild 1b). Die JusAnwendungen Der Einsatz von digitalen Potentiometern tierung der Position des Schleifkontakts in Schaltungen variiert stark. In manchen in einem variablen Digipot modifiziert Fällen kann es wichtig sein, das Digipot den durchgehenden Widerstand des Dimit externen Bauelementen für eine begipots. stimmte Applikation feinabzustimmen. Einfach formuliert ist ein Digipot ein anaSo bewegen sich z. B. gewöhnliche durchloger Ausgang, der von einem digitalen Eingehende Widerstandsgang gesteuert wird. Die werte von digitalen PoBeschreibung ist der Detentiometern zwischen finition eines D/A-Wand10 kΩ und 200 kΩ. Wenn lers ähnlich. Im Gegenman jedoch die Helligkeit satz zu D/A-Wandlern, die von LED-Kacheln regelt, mit einem gepufferten wird oft ein wesentlich geAusgang ausgestattet ringerer Widerstand besind, sind die meisten Digipots nicht dafür ge- Bild 1: Ein Digipot mit dreipoliger nötigt. Eine neuartige LöKonfiguration ist im Wesentlichen sung dieses Problems findacht, niederohmige Lasein einstellbarer Spannungsteiler ten ohne einen externen mit einem durchgehenden festen det man mit dem DS3906 Puffer zu treiben. Abhän- Widerstand (links). Ein variabler von Maxim, das effektive gig von dem Digipot, be- Widerstand (rechts) ist eine zwei- Widerstände zwischen polige Digipot-Variante, bei dem 70 Ω und 102 Ω liefert, wegen sich maximale der Schleifer intern mit einer SeiSchleifkontaktströme zwi- te von dem Potentiometer ver- wenn das Bauteil parallel zu einem festen 105 Ω Wischen einigen hundert bunden ist. derstand geschaltet wird. Mikroampere bis zu einiDie 0,5-Ω-Stufe in dieser Konfiguration ergen Milliampere. Dabei müssen die Entmöglicht eine präzise Einstellung der LEDwickler immer sicher stellen, dass sich Helligkeit. der Schleifstrom IWIPER unter ungünstigsten Bedingungen innerhalb des zulässigen In anderen Fällen kann ein digitales PoBereiches bewegt, wenn der Schleifkontakt tentiometer mit zusätzlichen Spezialmit einem niederohmigen Widerstand funktionen der Schlüssel sein. Appliverbunden ist – und zwar unabhängig kationen, die temperaturkompensierte davon, ob ein einstellbarer Widerstand Spannungen oder Ströme benötigen, wie oder ein richtiges Digipot verwendet wird. z. B. die Vorspannung bei einem LasertreiAn diesem Punkt kann zusätzlich zum ber in optischen Modulen, profitieren von Schleifwiderstand ein geringer WiderLookup-Tabellen, welche die Regelgrößen stand in der Schaltung sein, um den Strom (Widerstandswerte) beinhalten. Diese Bauzu begrenzen. Es gibt jedoch einige Ansteine beinhalten ein internes EEPROM, wendungen, in denen der Schleifstrom das thermische Lookup-Abgleichdaten in inhärent groß ist. Unter diesen BedinTemperaturschritten speichert. Ein interner gungen sollte der Spannungsabfall über Temperatursensor misst die Umgebungsden Schleifkontakt in Betracht gezogen temperatur. Das Digipot gleicht die Wiwerden, denn dieser Spannungsabfall bederstandsvariable ab, indem es den Mogrenzt den dynamischen Ausgangsbedifikator in der Lookup-Tabelle benutzt, reich des Digipots. der der gemessenen Temperatur entspricht. elektronik industrie 10 - 2006 electronica-VORBERICHTE Die auf einer thermischen Lookup-Tabelle basierenden Digipots korrigieren normalerweise entweder die nichtlineare Temperaturantwort eines nichtlinearen Schaltungselements wie z. B. eines Lasers oder einer Photodiode, oder sie erstellen absichtlich eine präzise, nichtlineare thermisch-resistive Temperaturantwort, die spezifisch für eine Anwendung ist. Speichervarianten Nichtflüchtige Speicher sind eine häufige und preiswerte Zusatzfunktion für digitale Potentiometer. Normale auf EEPROM basierende NV-Digipots (nonvolatile, nichtflüchtig) nehmen nach dem Einschaltvorgang einen voreingestellten Status ein. Die EEPROM-Technologie garantiert ohne weiteres 50000 Schreibzyklen – im Vergleich zu mechanischen Potentiometern eine signifikante Verbesserung der Zuverlässigkeit. Bei OTP-Digipots (einmal programmierbar) wie dem MAX5427/MAX5429 wird die vorgegebene Schleiferposition durch den Einsatz eines Brennprogramms dauerhaft gespeichert.Wie die auf EEPROMs basierenden Digipots nehmen die OTP-Digipots nach dem Einschaltvorgang einen voreingestellten Status ein. Dieser POR-Status (POR: Power on Reset) eines OTP-Digipots kann jedoch nicht überschrieben werden, wenn er einmal gebrannt ist. Somit sind OTP-Digipots sehr gut für werkeingestellte Kalibrierungen oder Fertigungskalibrierungen geeignet. Obwohl das Brennprogramm die PORSchleiferposition von OTP-Digipots dauerhaft festsetzt, wird die Schleiferposition nicht zwangsläufig arretiert. Die Schleifer vieler OTP-Digipots sind nach dem Brenn- vorgang vollständig einstellbar. In anderen OTP-Digipots wird die Schleiferposition dauerhaft festgesetzt, woraus ein präziser, kalibrierter Spannungsteiler resultiert. Einige Digipots bieten ein Lockout-Register oder einen digitalen Eingang, der die digitale Schnittsstelle in den Bild 3: Die nichtflüchtige Sample-and-Hold-Spannungsreferenz hochohmigen Zustand ver- DS4303 ist nützlich für Anwendungen mit im Werk eingestellsetzt,womit eine versehent- ter Kalibrierung, obwohl sie kein digitales Poti ist. liche Schleiferverstellung librierungsfunktionalität in einem komvermieden wird. Die Deaktivierung der pakteren Raum liefern, die ebenso nützlich Schreibmöglichkeit in EEPROM-Digipots für die Serienkalibrierung ist (Bild 3).Wähverringert auch den Energieverbrauch. rend der Kalibrierung tastet ihr Ausgang Automatischer Abgleich die angelegte Eingangsspannung ab,bis das Digitale Potentiometer können auch die IC von dem Steuereingang verriegelt wird. Automation von Strom- und SpannungskaNach dem Verriegeln des Ausgangs wird librierung in Spannungsversorgungssystesich die Ausgangsspannung unabhängig men und anderen Systemen unterstützen, von der angelegten Eingangsspannung die eine im Werk eingestellte Kalibrierung nicht ändern bis man den Baustein neu benötigen. Man kann damit den Nettoprogrammiert oder bis er von der Versordurchsatz erhöhen und die Kalibrierungsgungsspannung abgetrennt wird. Der zugenauigkeit sowie die Reproduzierbarkeit im letzt einstellte Wert wird im EEPROM abVergleich zur zeitintensiven und ungenaugelegt und wird nach dem Einschaltvorgang en manuellen Kalibrierung verbessern, bei wieder aufgerufen. der mechanische Potentiometer oder diskrete Auf Knopfdruck Widerstände zum Einsatz kommen. Die entstehenden Push-Button-SchnittZusätzlich vereinfacht die digitale Steuestellen ergänzen traditionelle Serienrung des Potentiometers bei Bedarf die schnittstellen-Angebote wie die SPI-, dezentrale Fehlersuche und die RekaliI2C-, Increment/Decrement- und Kreissteubrierung. Für Systeme, in denen mehrere erung. Eine solche Schnittstelle kommt im Spannungen und/oder Ströme zu kaMAX5457 zum Einsatz. Diese entprellte librieren sind, gibt es digitale PotentioPush-Button-Schnittstelle bringt den Schleimeter wie die dreifachen NV-Digipot fer in verschiedene Stufen, abhängig von DS3904/DS3905 (Bild 2). So kann ein kleider Dauer des Knopfdrucks. Die Push-Butnes IC bis zu drei mechanische Potentioton-Schnittstellen benötigen keinen Mimeter ersetzen. Die Layout-Flexibilität krokontroller und folglich reduziert sich nimmt zu, wenn man mechanische Potis damit die Systemkomplexität. Die entdurch Digipots ersetzt, denn die Digipots prellten Push-Button-Schnittstellen sind müssen nicht während der Bestückung besonders nützlich für Audioregelungen. oder Nacharbeit für Techniker leicht zuDigipots, die auf Audio-Applikationen abgänglich gemacht werden. Die Kalibriezielen, besitzen oft eine Schaltung zur Errung ist ein gutes Beispiel, wo ein OTP oder kennung des Nulldurchgangs, welche die ein schreibgeschütztes EEPROM erwünscht hörbaren Knackgeräusche verringern, die ist, und ein schreibgeschütztes EEPROM beim Verändern der Schleiferposition entebenso nützlich sein kann. stehen können. (av) Spannungsreferenz Bild 2: Digipots wie die dreifachen NV-Digipots DS3904/DS3905 sind sind für Systeme konzipiert, in denen mehrere Spannungen und/oder Ströme zu kalibrieren sind. Dieses kleine IC ersetzt bis zu drei mechanische Potis. elektronik industrie 10 - 2006 Obwohl sie kein digitales Potentiometer ist, kann eine Sample-and-Hold-Spannungsreferenz wie der DS4303 mit einer einzigen digitalen Schnittsstelle eine ähnliche Ka- ˘ infoDIRECT 313ei1006 www.elektronik-industrie.de ˘ Link zu Spezial Elektronik 29
