在很多数字电位器应用中，电位器用于对信号进行微调，并不需要从0%到100%的满量程调整，例如：一次性工厂校准等。在这些例子中，数字电位器一般提供10%以下的调整范围。可以利用这一有限的调整范围来提高数字电位器的带宽。

 

典型的电位器电路配置如下图所示。这里，数字电位器用于改变信号的衰减量。R2为数字电位器，图中还标出了寄生电容(Cwiper)。该电容是所有数字电位器固有的，它限制了电路带宽。电位器在0至满量程之间摆动时，R1和R3用于限制由数字电位器引起的信号衰减。

为计算电路的传输函数(VOUT/VIN)，可以使用不同模式的电位器—参见下图。图中，R2被分成了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。假设我们使用的电位器具有10kΩ的端到端电阻(忽略触点电阻的影响)，R2top和R2bottom相对于数字编码的理想传输函数如第二张图所示。下面介绍了传输函数的两个端点和中点：

(1) 当电位器编码 = 0时，R2top = 10kΩ，R2bottom = 0kΩ

(2) 当电位器编码 = 中间位置时，R2top = R2bottom = 5kΩ

(3) 当电位器编码 = 满标位置时，R2top = 0kΩ，R2bottom = 10kΩ

 

 

从下图可以得出VOUT/VIN的直流传输函数：

(4) VOUT/VIN = (R3 + R2bottom)/(R1 + R2 + R3)，其中R2 = R2top + R2bottom

 

 

下面，让我们做一些假设：

假设R2 = 10kΩ (常用的数字电位器电阻值)，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%到75%)。

然后，使用式(1)–(4)，可以看到有65%到75%的调整范围，标称值(中间位置)为70%：

(5) R1 = 24.9kΩ并且R3 = 64.9kΩ

典型应用电路的带宽

利用式(5)的电阻值，假设Cwiper = 10pF，可以获得表1所列出的带宽。实际触点电容在3pF在80pF范围内，与触点电阻、步长数、所采用的IC工艺以及电位器体系结构等因素有关。3V至5V供电、32至256步长的10kΩ电位器的典型电容值为3pF–10pF。

 

注意，以上分析基于的假设是：触点电容与电位器电阻并联，由此限制电位器的带宽。这种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，下面对提高带宽的讨论非常有用，即使实际得到的带宽没有达到预期目的。

 

表1. 图1电路的带宽，采用式5电阻

Condition                       Cwiper = 10pF*

-0.1dB bandwidth        -0.5dB bandwidth        -3dB Bandwidth

Pot at 0 Code             106kHz        245kHz        702kHz

Pot at Mid Scale         115kHz        265kHz        760kHz

Pot at Full Scale         130kHz        296kHz        852kHz

*注意，带宽与触点电容成反比。例如，采用3pF Cwiper，带宽频率将提高3.3倍(即，10/3)。

 

对于视频等应用，这些带宽还是过低。

 

提高电路带宽

 

使用低电阻电位器

一种提高电路带宽最明显的方法是选择具有较低阻值的数字电位器，例如，1kΩ电位器，按比例调整R1和R2 (1kΩ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(1kΩ)一般占用较大的裸片面积，意味着较高的成本和较大的封装尺寸，出于这一原因，1kΩ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，上面提到的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(假设杂散触点电容没有变化)。

 

例如，使用1kΩ电位器，设置R1 = 2.49kΩ， R3 = 6.49kΩ，触点电容为10pF，电位器设在中间位置，可以获得1.15MHz的-0.1dB带宽，以及7.6MHz的-3dB带宽。这要比表1所列出的带宽提高10倍。

 

使用10kΩ电位器，改变电路拓扑

 

使用高精度电位器，限制编码范围

与1kΩ电位器相比，选择5kΩ和10kΩ电位器可能是更好的方案–可以获得更小封装的电位器，从中可以选择易失或非易失存储器，也有更多的数字接口选择(up/down、I²C、SPI™)以及调整步长(32、64、128、256等)。

 

出于这一原因，下面的设计实例选择了具有10kΩ端到端电阻的电位器。

假设由于成本、体积、接口以及电位器调整步长等因素的限制，需要使用10kΩ端到端电阻电位器，这种情况下如何提高图1电路的带宽呢? 

 

提高带宽的一种方法是去掉电阻R1和R3，使用步长数多于图1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之内—我们继续上面的设计目标，65%到75%。这种方法在图5给出了解释。所使用的编码是从0.65 × 256 ( = 166.4，使用166)到编码0.75 × 256 ( = 192)。这个例子中使用了一个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%)。26步长可用范围对应于上例中的32步长范围。

 

 

与32步长的电位器相比，这一方法的一个缺点是：256步长电位器的成本要高得多，可以选择的电位器封装尺寸较大(额外的精度需要额外的开关—例如，256步长和32步长相比，需要占用额外的裸片面积，而且，这些开关并不利于改善Cwiper)。假设Cwiper为30pF，VOUT/VIN = 0.70—在调整范围的中点，图5电路有384kHz的-0.1dB带宽，879kHz的-0.5dB带宽，2.52MHz的-3dB带宽。与表1结果相比，带宽提高了3倍。

 

一种成本更低、性能更好的方案是在图1电路中加入一些分立电阻，如图6所示。

 

 

使用并联电阻降低电路阻抗

 

图6中的电路在图1基础上增加了并联电阻(注意，使用了图2中引入的数字电位器模型)。并联电阻降低了电路阻抗(从而提高了带宽)，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，而不是简单使用串联器件R1、R2和R3)，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，但是由于其串联电阻要比R4和R5大得多，这种影响非常小。

 

可以通过几个简单的示例来说明R4和R5对图6电路的影响。在图7中，电路上部的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8中，电路下部的电阻采用了图中方程给出的电阻组合值。注意，由于R5与R3和R2bottom并联，它也降低了电路阻抗。正是较低的电路阻抗使得带宽大大体高，达到设计目标的要求。

 

 

图9结合了前面图中的简化示例，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(Rtop小于R1 + R2top，Rbottom小于R2bottom + R3)，提高了电路带宽。

 

 

实际值

实际设置R1、R3、R4和R5的阻值，可以对比图1电路得到的带宽，从而确定R4和R5对电路性能的影响。

使用图9中的方程，可以得出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9方程的元件值：

(6) R1 = 3.48kΩ、R2 = 10kΩ、R3 = 4.53kΩ、R4 = 1kΩ和R5 = 2.8kΩ

采用这些元件值得出了表2列出的带宽。注意，这些结果比图1电路改善100倍，其数据列在表1中