Nozioni di base sui potenziometri digitali e sul loro uso

I potenziometri meccanici sono stati utilizzati per decenni dai progettisti in applicazioni che vanno dalla regolazione del circuito al controllo del volume. Tuttavia, hanno i loro limiti: i loro contatti striscianti possono usurarsi, sono suscettibili all'ingresso di umidità e possono accidentalmente spostarsi dalla posizione impostata. Inoltre, dato che il mondo diventa sempre più digitale, i progettisti hanno bisogno di un'alternativa per soddisfare i requisiti di un controllo più preciso e di un'alta affidabilità, insieme alla flessibilità di regolare i valori a distanza tramite firmware.

I circuiti integrati per potenziometri digitali risolvono questi problemi facendo da ponte tra il dominio digitale e il mondo dei resistori analogici. Essendo un componente interamente elettronico e compatibile con il microcontroller, essi permettono a un processore e a un software di controllare, impostare e variare il loro valore di resistenza o il rapporto del divisore di tensione.

Offrono caratteristiche e funzioni che i dispositivi meccanici non possono fornire e sono più robusti e affidabili perché non hanno contatti striscianti mobili. Non possono essere modificati deliberatamente o inavvertitamente, evitando inspiegabili cambiamenti di prestazioni. Le applicazioni includono la stabilizzazione termica dei LED, il dimmeraggio dei LED, il controllo del guadagno ad anello chiuso, la regolazione del volume audio, la calibrazione e il trimming dei ponti di Wheatstone per i sensori, il controllo delle sorgenti di corrente e la regolazione dei filtri analogici programmabili.

Questo articolo fornirà una breve introduzione ai potenziometri e alla loro evoluzione verso i potenziometri digitali. Utilizzerà quindi componenti di Analog Devices, Maxim Integrated, Microchip Technology e Texas Instruments per spiegare il funzionamento di un potenziometro digitale, le configurazioni di base e avanzate e come affrontano i requisiti di regolazione del circuito. Mostrerà come le loro funzioni, caratteristiche, capacità e opzioni possono essere utilizzate per semplificare i circuiti, rendere i circuiti compatibili con i processori e ridurre o addirittura eliminare la necessità di potenziometri meccanici ingombranti e poco affidabili.

Partiamo dalle basi del potenziometro

Il potenziometro è stato un componente circuitale passivo essenziale fin dai primi giorni dell'elettricità e dell'elettronica. Si tratta di un dispositivo a tre terminali con un elemento resistivo accessibile, che funge da divisore di tensione attraverso il suo contatto strisciante regolabile dall'utente su un albero rotante. È usato in innumerevoli circuiti analogici e a segnale misto per soddisfare un'ampia varietà di requisiti applicativi (Figura 1).

Figura 1: Il potenziometro standard è un resistore variabile impostabile dall'utente con un albero rotante. (Immagine per gentile concessione di etechnog.com)

La resistenza vista dal circuito tra uno dei due contatti finali e il contatto strisciante regolabile varia da zero ohm (nominale) all'intero intervallo nominale della resistenza del filo o del film mentre il contatto strisciante ruota e scorre lungo l'elemento resistivo. La maggior parte dei potenziometri ha un campo di rotazione di circa 270-300 gradi, con una risoluzione meccanica tipica e una ripetibilità di circa 0,5% e 1% del valore di fondo scala (tra una parte su 200 e 100, rispettivamente).

Si osservi che esiste una lieva ma distinta e importante differenza tra un potenziometro e il suo fratello minore, il reostato. Un potenziometro è un dispositivo a tre terminali che funge da divisore di tensione (Figura 2, a sinistra), mentre il reostato è una resistenza regolabile a due terminali che controlla il flusso di corrente. Il potenziometro è spesso cablato per creare un reostato che può essere fatto in uno dei tre modi simili, lasciando un terminale finale scollegato o collegato direttamente al contatto strisciante (Figura 2, a destra).

Figura 2: Il potenziometro con i terminali A e B e il contatto strisciante W (a sinistra) può essere facilmente utilizzato come reostato con uno qualsiasi dei tre approcci di collegamento (a destra). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Potenziometri digitali: potenziometri in CI

Il potenziometro digitale interamente elettronico emula la funzionalità del potenziometro elettromeccanico, ma lo fa utilizzando un circuito integrato senza componenti mobili. Accetta un codice digitale in uno dei diversi formati e stabilisce un valore di resistenza corrispondente. Come tale, è talvolta indicato come convertitore digitale/analogico resistivo (RDAC).

In un potenziometro tradizionale, una mano (o a volte anche un piccolo motore) imposta la posizione del contatto strisciante e quindi il rapporto del divisore di tensione. In un potenziometro digitale, tuttavia, i controlli del computer si collegano al potenziometro digitale in CI tramite un'interfaccia digitale e stabiliscono un valore equivalente alla posizione del contatto strisciante (Figura 3).

Figura 3: Il potenziometro digitale in CI sostituisce l'impostazione manuale del contatto strisciante con un interruttore elettronico impostato digitalmente che emula un contatto strisciante meccanico. (Immagine per gentile concessione di Circuits101, modificata)

Il potenziometro digitale utilizza la tecnologia standard CMOS per CI e non richiede una fabbricazione o manipolazione speciale. La dimensione di un potenziometro digitale in CI a montaggio superficiale, tipicamente di 3 x 3 mm o meno, è molto minore di un potenziometro con regolazione a manopola o anche di un piccolo potenziometro trimmer con regolazione a vite e viene gestito come qualsiasi altro circuito integrato in tecnologia di montaggio superficiale (SMT) per quanto riguarda la produzione di schede CS.

In linea di principio, la topologia interna del potenziometro digitale consiste in una semplice stringa seriale di resistori con interruttori elettronici indirizzabili digitalmente tra il contatto strisciante e questi resistori. Usando un comando digitale, l'interruttore appropriato viene acceso mentre gli altri vengono spenti, stabilendo così la posizione desiderata del contatto strisciante. In pratica, questa topologia ha alcuni svantaggi, tra cui un gran numero di resistori e interruttori necessari e una dimensione maggiore del die.

Per minimizzare tutto questo, i fornitori hanno escogitato intelligenti disposizioni alternative di resistori e interruttori che ne riducono il numero senza compromettere le prestazioni. Ognuna di queste topologie comporta piccole differenze nel modo in cui il potenziometro digitale viene fatto ruotare e nelle sue caratteristiche di secondo livello, ma molto di questo è ovvio per l'utente. Per il resto di questo articolo, useremo il termine potenziometro per il dispositivo elettromeccanico e potenziometro digitale per quello interamente elettronico.

I potenziometri digitali offrono una gamma di specifiche e caratteristiche

Come per qualsiasi componente, ci sono parametri di alto livello e secondari da considerare quando si sceglie un potenziometro digitale. Le questioni più importanti sono il valore nominale della resistenza, la risoluzione e il tipo di interfaccia digitale, mentre le considerazioni includono la tolleranza e le fonti di errore, l'intervallo di tensione, la larghezza di banda e la distorsione.

• Il valore di resistenza richiesto è determinato dalle considerazioni di progettazione del circuito. I fornitori offrono resistenze tra 5 kΩ e 100 kΩ in una sequenza 1/2/5 con alcuni altri valori intermedi. Inoltre, ci sono unità con intervallo esteso che vanno da 1 kΩ a 1 MΩ.

• La risoluzione definisce quanti passi discreti o impostazioni offre il potenziometro digitale, che vanno da 32 a 1024 passi per consentire al progettista di soddisfare le esigenze dell'applicazione. Tener presente che anche un potenziometro digitale di fascia media a 256 passi (8 bit) ha una risoluzione maggiore di un potenziometro.

• L'interfaccia digitale tra il microcontrollER e il potenziometro digitale è disponibile nei formati seriali standard SPI e I²C, insieme ai pin di indirizzo in modo che più dispositivi possano essere collegati tramite un unico bus. Il microcontroller utilizza un semplice schema di codifica dei dati per indicare l'impostazione di resistenza desiderata. Un potenziometro digitale minimalista come TPL0501 di Texas Instruments, un potenziometro digitale a 256 prese intermedie con interfaccia SPI è una buona misura dove la dissipazione di potenza e le dimensioni sono critiche (Figura 4). È disponibile in contenitori salvaspazio a 8 pin SOT-23 (1,50 × 1,50 mm) e UQFN (1,63 × 2,90 mm).

Figura 4: Un potenziometro digitale di base come TPL0501 di Texas Instruments con un'interfaccia SPI è un componente efficace per applicazioni con vincoli di spazio e di potenza che non hanno bisogno di caratteristiche aggiuntive. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Un esempio di applicazione è il suo uso in dispositivi medici indossabili di livello clinico, come ossimetri e cerotti per sensori, dove è accoppiato con l'amplificatore operazionale OPA320 di TI (Figura 5). La combinazione crea un divisore di tensione per controllare il guadagno dell'amplificatore che fornisce l'uscita del convertitore digitale/analogico (DAC). La domanda ovvia: perché non usare semplicemente un DAC standard completo? La ragione è che questa applicazione clinica richiede un'uscita analogica rail-to-rail di precisione con un elevato rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) e basso rumore, per il quale OPA320 è specificato a 114 dB e 7 nV/√Hz a 10 kHz, rispettivamente.

Figura 5: Un potenziometro digitale può essere accoppiato con un amplificatore operazionale di precisione come OPA320 di TI per creare un DAC con prestazioni di uscita superiori. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Inoltre, alcune varianti di interfaccia potenziometro digitale ne semplificano l'uso in applicazioni come i controlli di volume azionati dall'utente. Altre due opzioni sono l'interfaccia a pulsante e su/giù (U/D). Con l'interfaccia a pulsante, l'utente preme uno dei due pulsanti disponibili: uno per aumentare il conteggio della resistenza e l'altro per diminuirlo. Si noti che non è coinvolto alcun processore in questa azione (Figura 6).

Figura 6: L'interfaccia a pulsante permette una connessione senza processore tra due pulsanti azionati dall'utente, determinando all'incremento/decremento diretto dell'impostazione del potenziometro digitale. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'interfaccia U/D può essere implementata con una spesa software minima e viene attivata tramite un semplice encoder rotativo o un pulsante collegato a un processore e implementato utilizzando un potenziometro digitale come MCP4011 di Microchip Technology, un dispositivo di base a 64 passi (6 bit) disponibile con valori di resistenza di 2,1 kW, 5 kW, 10 kW e 50 kW (Figura 7).

Figura 7: Un potenziometro digitale come MCP4011 di Microchip Technology con una linea di controllo U/D e chip-select basati sull'edge richiede un minimo di risorse I/O e software dal microcontroller host. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology, modificata)

Utilizza un singolo edge-trigger alto o basso, più il chip-select per aumentare o diminuire l'incremento della resistenza (Figura 8). Ciò permette una semplice implementazione di una manopola che ha l'aspetto e la sensazione di un controllo di volume tradizionale, senza i problemi associati ai potenziometri, ma con i vantaggi dei potenziometri digitali.

Figura 8: L'interfaccia U/D di un potenziometro digitale supporta l'incremento e il decremento del valore della resistenza tramite un trigger da un encoder a bassa risoluzione. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

La tolleranza per i potenziometri digitali può essere un problema in quanto è tipicamente tra ±10 e ±20% del valore nominale, accettabile in molti casi raziometrici o ad anello chiuso. Tuttavia, può essere un parametro critico se il potenziometro digitale viene abbinato a un resistore esterno discreto oppure a un sensore in un'applicazione ad anello aperto. Per questo motivo, esistono potenziometri digitali standard con tolleranze molto più rigide, fino a ±1%. Naturalmente, come per tutti i circuiti integrati, il coefficiente di temperatura della resistività e la deriva associate alla temperatura possono essere un problema. I fornitori specificano questo valore nelle schede tecniche in modo che i progettisti possano valutare il suo impatto tramite modelli circuitali come Spice. Altre opzioni di tolleranza rigida sono disponibili e sono discusse di seguito.

Anche se non è una preoccupazione in applicazioni statiche come la calibrazione o l'impostazione del punto di polarizzazione, la larghezza di banda e la distorsione sono problemi nell'audio e nelle applicazioni correlate. Il percorso della resistenza di un codice particolare, combinato con le correnti parassite dell'interruttore, i pin e le capacità della scheda, creano un filtro passa-basso RC (resistore-condensatore). I valori più bassi dei resistori end-to-end producono una maggiore larghezza di banda, fino a circa 5 MHz per un potenziometro digitale da 1 kΩ, fino a 5 kHz per un'unità da 1 MΩ.

Per contro, la distorsione armonica totale (THD) è in gran parte dovuta alla non linearità delle resistenze a diversi livelli di segnale applicato. I potenziometri digitali con una maggiore resistenza end-to-end riducono il contributo della resistenza dell'interruttore interno rispetto alla resistenza totale, con conseguente THD inferiore. Quindi, la larghezza di banda rispetto al THD è un compromesso che i progettisti devono favorire e soppesare attentamente quando scelgono il valore nominale del potenziometro digitale. I valori tipici vanno da -93 dB per un potenziometro digitale da 20 kΩ, fino a -105 dB per le unità da 100 kΩ.

Varianti doppie, quadruple, lineari e logaritmiche dei potenziometri digitali

Oltre alla loro controllabilità, i potenziometri digitali offrono ulteriore semplicità, facilità di progettazione e costi molto più bassi dei potenziometri. Tra le loro altre capacità:

• I potenziometri digitali doppi sono utili quando si devono regolare indipendentemente due resistenze, particolarmente quando devono essere allo stesso valore. Mentre si potrebbero usare due potenziometri digitali in CI separati, il dispositivo doppio aggiunge il vantaggio di tracciare i valori di resistenza nonostante la tolleranza e la deriva; sono disponibili anche dispositivi quadrupli.

• Impostazioni lineari rispetto a quelle logaritmiche: mentre le applicazioni di trim e calibrazione di solito hanno bisogno di una relazione lineare tra il codice digitale e la resistenza risultante, molte applicazioni audio beneficiano di una relazione logaritmica per adattarsi meglio alla scala di decibel richiesta nelle situazioni audio.

Per soddisfare questa esigenza, i progettisti possono utilizzare potenziometri digitali logaritmici come DS1881E-050+ di Maxim Integrated Products. Questo dispositivo a due canali funziona da una singola alimentazione di 5 V, ha una resistenza di 45 kΩ end-to-end e dispone di un'interfaccia I²C con pin di indirizzo per accettare fino a otto dispositivi sul bus. Il valore di resistenza di ciascuno dei due canali può essere impostato indipendentemente e le diverse impostazioni di configurazione sono selezionabili dall'utente; la configurazione di base ha 63 passi con 1 dB di attenuazione per passo, da 0 dB a -62 dB, più il mute (Figura 9).

Figura 9: Il potenziometro digitale a due canale DS1881E-050+ di Maxim è progettato per percorsi di segnale audio, fornendo un'impostazione di guadagno di 1 dB/passo su un intervallo di 63 dB. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated Products)

DS1881E-050+ è progettato per ridurre al minimo la diafonia, e i due canali offrono un accordo di 0,5 dB da canale a canale per minimizzare qualsiasi differenza di volume. Il dispositivo implementa anche la commutazione del resistore zero-crossing per evitare clic udibili e include una memoria non volatile, la cui utilità generale è discussa di seguito.

Anche la tensione massima che il potenziometro digitale può gestire è una considerazione. I potenziometri digitali a bassa tensione sono disponibili per il funzionamento con rail fino a +2,5 V (o ±2,5 V con un'alimentazione bipolare), mentre quelli a tensione più alta, come MCP41HV31 di Microchip Technology, un dispositivo di interfaccia SPI da 50 kΩ, 128 prese intermedie, possono funzionare con rail fino a 36 V (±18 V).

La memoria non volatile assiste nei reset di potenza

I potenziometri digitali di base hanno molte virtù ma hanno una debolezza ineluttabile rispetto ai potenziometri: perdono la loro impostazione all'interruzione dell'alimentazione e la loro posizione di reset all'accensione (POR) è impostata solitamente a un valore intermedio. Purtroppo, per molte applicazioni, questa impostazione POR è inaccettabile. Si consideri un'impostazione di calibrazione: una volta stabilita, dovrebbe essere mantenuta fino a quando non viene deliberatamente regolata, nonostante la rimozione dell'alimentazione di linea o la sostituzione della batteria; inoltre, in molte applicazioni, l'impostazione "corretta" è quella che è stata utilizzata per ultima prima che l'alimentazione fosse rimossa.

Pertanto, una delle ragioni per preferire i potenziometri era che non perdono la loro impostazione al reset dell'alimentazione, ma i potenziometri digitali hanno risolto questa pecca. Inizialmente era una pratica comune di progettazione quella di far leggere al processore di sistema l'impostazione del potenziometro digitale durante il funzionamento, per poi ricaricarla all'accensione. Tuttavia, questo creava glitch all'accensione ed era spesso inaccettabile per l'integrità e le prestazioni del sistema.

Per risolvere la questione, i fornitori hanno aggiunto ai potenziometri digitali la tecnologia di memoria non volatile (NVM) basata su EEPROM. Con NVM, i potenziometri digitali possono mantenere la loro ultima posizione programmata del contatto strisciante quando l'alimentazione si è interrotta, mentre le versioni programmabili una sola volta (OTP) permettono al progettista di impostare la posizione di reset all'accensione (POR) del contatto strisciante su un valore predefinito.

NVM offre altri miglioramenti. Ad esempio, AD5141BCPZ10 di Analog Devices ha l'errore di tolleranza del resistore memorizzato nella memoria EEPROM (Figura 10). Il dispositivo è un potenziometro digitale non volatile a canale singolo, 128/256 posizioni, riscrivibile, che supporta entrambe le interfacce I²C e SPI. Utilizzando i valori di tolleranza memorizzati, i progettisti possono calcolare l'effettiva resistenza end-to-end con una precisione dello 0,01% per definire il rapporto dei segmenti "sopra il contatto strisciante" e "sotto il contatto strisciante". Questa precisione è cento volte meglio della precisione dell'1% dei potenziometri digitali ancora più precisi senza NVM.

Figura 10: Il potenziometro digitale AD5141BCPZ10 di Analog Devices incorpora una memoria non volatile riscrivibile (EEPROM) per memorizzare le impostazioni di reset all'accensione desiderate, nonché i fattori di calibrazione per il proprio array di resistori. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questa modalità di regolazione lineare del guadagno permette la programmazione indipendente della resistenza tra i terminali del potenziometro digitale attraverso i resistori a stringa R_AW e R_WB, per un accordo dei resistori molto accurato (Figura 11). Tale precisione è spesso necessaria per topologie con amplificatori invertenti, ad esempio dove il guadagno è determinato dal rapporto di due resistori.

Figura 11: L'NVM in un potenziometro digitale può anche essere usato per memorizzare le resistenze calibrate sopra e sotto il contatto strisciante per circuiti che usano rapporti di resistenza precisi per impostare il guadagno dell'amplificatore. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Attenzione alle idiosincrasie del potenziometro digitale

Mentre i potenziometri digitali sono ampiamente utilizzati al posto dei potenziometri quando il dispositivo tradizionale è poco pratico, hanno alcune caratteristiche che i progettisti devono considerare attentamente. Ad esempio, il contatto strisciante metallico di un potenziometro contatta l'elemento resistivo con una resistenza di contatto prossima allo zero e di solito ha un coefficiente di temperatura trascurabile. Nel caso di un potenziometro digitale, tuttavia, il contatto strisciante è un elemento CMOS con una resistenza modesta ma comunque significativa, nell'ordine di decine di ohm a 1 kΩ. Se 1 mA di corrente passa attraverso un contatto strisciante da 1 kΩ, la caduta di 1 V risultante attraverso il contatto strisciante può limitare la gamma dinamica del segnale di uscita.

Inoltre, questa resistenza del contatto strisciante è una funzione sia della tensione applicata sia della temperatura, quindi introduce non linearità e distorsione dei segnali in c.a. nel percorso del segnale. Il coefficiente di temperatura tipico del contatto strisciante di circa 300 ppm/⁰C può essere significativo e dovrebbe essere considerato nel budget di errore per progetti di alta precisione. I modelli di potenziometro digitale sono anche offerti con un coefficiente molto più basso.

Conclusione

Il potenziometro digitale è un CI impostato digitalmente che sostituisce il classico potenziometro elettromeccanico in molte architetture di sistema e progetti circuitali. Non solo riduce le dimensioni del prodotto e la probabilità di errori dovuti a movimenti accidentali, ma aggiunge anche la compatibilità con i processori e quindi il software, offrendo una maggiore precisione e una risoluzione più alta (se necessario), oltre ad altre caratteristiche utili.

Come mostrato, i potenziometri digitali sono disponibili in una vasta gamma di valori di resistenza nominale, dimensioni di passo e precisioni, mentre l'aggiunta della memoria non volatile e estende la capacità e supera un'importante barriera al loro utilizzo in molte applicazioni.

Ulteriori letture

1. I circuiti integrati risolvono il problema del dimmeraggio delle lampade a LED nei circuiti pilotati da TRIAC