디지털 전위차계의 기본 사항 및 사용 방법

기계식 전위차계는 회로 트리밍에서 볼륨 제어에 이르는 다양한 응용 분야에서 수십 년 동안 설계자가 사용해 왔습니다. 하지만 한계가 있습니다. 와이퍼는 마모될 수 있고 습기 침투에 민감하며 실수로 설정된 위치에서 벗어날 수 있습니다. 또한 세계가 디지털화됨에 따라 설계자는 펌웨어를 통해 원격으로 값을 조정할 수 있는 유연성뿐만 아니라 보다 정밀한 제어와 높은 신뢰성 요구를 충족할 수 있는 대안이 필요합니다.

디지털 전위차계용 IC(흔히 digipot이라고 함)는 디지털 도메인과 아날로그 저항기를 연결하여 이러한 문제를 해결합니다. 모든 전자식 마이크로 컨트롤러와 호환되는 digipot을 사용하면 프로세서 및 소프트웨어가 저항 값 또는 전압 분배 비율을 제어, 조정 및 변경할 수 있습니다.

기계 장치가 제공할 수 없는 특징과 기능을 제공하며 이동식 와이퍼가 없기 때문에 견고성과 신뢰성이 높습니다. 의도적으로 변경하거나 부주의하게 조정할 수 없으므로 예기치 않은 성능 변경을 방지합니다. 휘트스톤 브리지 응용 분야에는 LED 열 안정성, LED 조광, 폐루프 이득 제어, 오디오 볼륨 조정, 보정, 센서용 휘트스톤 브리지 트림, 전류원 제어, 프로그래밍 가능한 아날로그 필터 조정 등이 포함됩니다.

이 기사는 전위차계와 digipot의 진화에 대해 간략히 소개합니다. 그런 다음 Analog Devices, Maxim Integrated, Microchip Technology 및 Texas Instruments의 부품을 사용하여 digipot 작동, 기본 및 고급 구성, 회로 조정 요구 사항을 충족하는 방법을 설명합니다. 기능, 특징, 역량 및 옵션을 사용하여 회로를 단순화하고, 프로세서와 호환되도록 하며, 번거롭고 신뢰성이 낮은 기계적 전위차계의 필요성을 줄이거나 제거하는 방법을 보여줍니다.

전위차계 기본 사항

전위차계는 초창기부터 전기 및 전자 장치의 필수적인 수동 회로 부품이었습니다. 액세스가 가능한 저항기 소자가 있는 3단자 장치로, 회전축에서 사용자가 설정 가능한 와이퍼를 통해 전압 분배기 기능을 제공합니다. 다양한 응용 제품의 요구 사항을 충족하기 위해 수많은 아날로그 및 혼합 신호 회로에 사용됩니다(그림 1).

그림 1: 표준 전위차계는 회전축이 있는 사용자 설정 가능한 가변 저항기입니다. (이미지 출처: etechnog.com)

양쪽 끝 접점과 조정 가능한 와이퍼 사이의 회로에서 감지되는 저항은 와이퍼가 저항 소자를 따라 회전하고 미끄러짐에 따라 전선 또는 필름 저항이 0옴(공칭)에서 최대 정격까지 다양합니다. 대부분의 전위차계는 약 270도 ~ 300도의 회전 범위를 가지며 일반적인 기계적 분해능과 반복성은 전체 범위 값의 약 0.5% 및 1%입니다(각각 200과 100의 한 부품 사이).

전위차계와 자매격인 가변 저항기 사이에는 미미하지만 뚜렷하고 중요한 차이가 있습니다. 전위차계는 전압 분배기(그림 2, 왼쪽) 역할을 하는 3단자 장치이며 가변 저항기는 전류 흐름을 제어하는 ​​조정 가능한 2단자 저항입니다. 전위차계는 보통 배선을 통해 가변 저항을 생성하는데, 이는 엔드 단자를 연결되지 않은 상태로 두거나 와이퍼에 직접 연결하는 세 가지의 유사한 방법 중 하나로 수행할 수 있습니다(그림 2, 오른쪽).

그림 2: 엔드 단자 A 및 B와 와이퍼 W(왼쪽)가 있는 전위차계는 세 가지 연결 접근 방식(오른쪽) 중 하나를 사용하여 가변 저항기로 쉽게 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

Digipot: IC 형태의 전위차계

모든 전자식 디지털 전위차계는 전기 기계식 전위차계의 기능을 에뮬레이트하지만 움직이는 부품이 없는 IC를 사용합니다. 여러 형식 중 하나의 디지털 코드를 수용하고 해당 저항 값을 설정합니다. 따라서 저항성 디지털 아날로그 컨버터(RDAC)라고도합니다.

기존 전위차계는 손(또는 작은 모터)으로 와이퍼의 위치를 ​​설정하여 전압 분배기의 비율을 조정합니다. 그러나 digipot에서 컴퓨터 제어는 디지털 인터페이스를 통해 digipot IC에 연결되고 와이퍼의 위치와 동일한 값을 설정합니다(그림 3).

그림 3: digipot IC는 기계식 와이퍼를 에뮬레이션하는 디지털 설정 기능이 있는 전자 스위치로 전위차계 와이퍼의 수동 설정을 대체합니다. (이미지 출처: Circuits101, 수정됨)

digipot은 표준 CMOS IC 기술을 사용하며 특별한 제작이나 처리가 필요하지 않습니다. 일반적으로 3mm x 3mm 이하의 표면 실장형 digipot IC의 크기는 손잡이 조절식 전위차계 또는 소형 스크루드라이버 조절식 트리머 전위차계의 크기보다 훨씬 작고 다른 표면 실장 기술(SMT) IC처럼 처리됩니다.

원칙적으로 digipot의 내부 토폴로지는 와이퍼와 이러한 저항기 사이에 디지털 주소 지정이 가능한 전자 스위치를 갖춘 저항기들의 간단한 직렬 스트링으로 구성됩니다. 디지털 명령을 사용하면 적절한 스위치가가 켜지고 다른 스위치는 꺼져서 원하는 와이퍼 위치가 설정됩니다. 실제로, 이 토폴로지에는 많은 수의 저항기와 스위치가 필요하고 더 큰 크기의 다이가 필요하다는 몇 가지 단점이 있습니다.

이러한 문제를 최소화하기 위해, 벤더는 수를 줄이면서 동일한 효과를 내는 다른 독창적인 저항기 및 스위치 배열을 고안했습니다. 이러한 각 토폴로지는 digipot의 범위 및 부차적 특성에 약간의 차이가 생기지만 이러한 부분은 사용자에게 투명합니다. 이 기사의 나머지 부분에서는 전기 기계 장치에 전위차계라는 용어를 사용하고 모든 전자 장치에는 digipot이라는 용어를 사용합니다.

다양한 사양과 기능을 제공하는 Digipot

다른 구성 요소와 마찬가지로 digipot을 선택할 때 고려해야 할 1차 및 2차 파라미터가 있습니다. 가장 중요한 문제는 공칭 저항 값, 분해능 및 디지털 인터페이스 유형이며, 고려 사항에는 허용 오차 범위 및 오류 원인, 전압 범위, 대역폭 및 왜곡이 포함됩니다.

• 흔히 끝대끝 저항이라고 하는 필수 저항 값은 회로의 설계 고려 사항에 따라 결정됩니다. 벤더는 다른 중간 값과 함께 5kΩ에서 100kΩ 사이의 저항을 1/2/5 순으로 제공합니다. 또한 최저 1kΩ 및 최고 1MΩ의 확장된 범위 단위가 있습니다.

• 분해능은 설계자가 응용 제품의 요구 사항을 충족할 수 있도록 digipot이 제공하는 개별 단계 또는 탭 설정의 수를 32 ~ 1024단계로 정의합니다. 중간 범위 256단계(8비트)의 digipot 조차도 전위차계보다 분해능이 더 높다는 점에 유의해야 합니다.

• 마이크로 컨트롤러와 digipot 간의 디지털 인터페이스는 주소 핀과 함께 표준 직렬 SPI 및 I²C 형식으로 제공되므로 단일 버스를 통해 여러 장치를 연결할 수 있습니다. 마이크로 컨트롤러는 간단한 데이터 인코딩 방식을 사용하여 원하는 저항 설정을 표시합니다. Texas Instruments의 TPL0501과 같은 미니멀한 digipot은 SPI 인터페이스를 갖춘 256탭 digipot으로 소비 전력과 크기가 중요한 경우에 적합합니다(그림 4). 공간 절약형 8핀 SOT-23(1.50mm × 1.50mm) 및 8핀 UQFN(1.63mm × 2.90mm) 패키지로 제공됩니다.

그림 4: SPI 인터페이스가 있는 Texas Instruments의 TPL0501과 같은 기본 digipot은 추가 기능이 필요하지 않은 공간 및 전력 집약적 응용 제품에 효율적인 부품입니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

한 가지 응용 제품의 예는 산소 측정기 및 센서 패치와 같은 임상 등급 웨어러블 의료 기기에 사용되는 것인데, 여기에서 TI의 OPA320 연산 증폭기와 결합됩니다(그림 5). 이 조합은 디지털 아날로그 컨버터(DAC)의 출력을 제공하는 증폭기의 이득을 제어하는 ​​전압 분배기를 생성합니다. 그렇다면 여기서 왜 완전한 표준 DAC를 사용하지 않느냐는 질문을 하게 됩니다. 그 이유는 이 임상 응용 분야에서 높은 공통 모드 제거비(CMRR)와 낮은 잡음을 가진 정밀한 레일 투 레일 아날로그 출력이 필요하기 때문입니다. OPA320은 각각 10킬로헤르츠(kHz)에서 114데시빌(dB) 및 루트 헤르츠(nV/√Hz)당 7나노볼트로 지정됩니다.

그림 5: digipot을 TI의 OPA320과 같은 정밀한 연산 증폭기와 결합하여 우수한 출력의 연산 증폭기 성능을 지원합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

또한 사용자 작동 볼륨 제어와 같은 응용 제품에서 사용을 단순화하는 다양한 digipot 인터페이스가 있습니다. 다른 두 가지 옵션은 푸시 버튼과 상/하향(U/D) 인터페이스입니다. 푸시 버튼 인터페이스를 통해 사용자는 사용 가능한 두 개의 버튼 중 하나를 누릅니다. 하나는 저항 수를 늘리기 위한 것이고 다른 하나는 감소시키기 위한 것입니다. 이 작업에는 프로세서가 포함되지 않았습니다(그림 6).

그림 6: 푸시 버튼 인터페이스를 사용하면 두 개의 사용자 작동 푸시 버튼 사이에 프로세서가 없이 연결이 가능하므로 digipot 설정을 직접 증가/감소시킬 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

U/D 인터페이스는 최소한의 소프트웨어 오버 헤드로 구현할 수 있으며 프로세서에 연결된 간단한 회전식 인코더 또는 푸시 버튼에 의해 트리거되며 Microchip Technology의 2.1kW, 5kW, 10kW 및 50kW의 저항 값으로 제공되는 기본 64단계(6비트) 장치인 MCP4011과 같은 digipot을 사용하여 구현됩니다(그림 7).

그림 7: 에지 기반 U/D 제어선 및 칩 선택 기능이 있는 Microchip Technology의 MCP4011과 같은 digipot에는 호스트 마이크로 컨트롤러에서 최소한의 I/O 및 소프트웨어 리소스가 필요합니다. (이미지 출처: Microchip Technology, 수정됨)

단일 하이 또는 로우 에지 트리거와 칩 선택을 사용하여 저항성을 늘리거나 줄입니다(그림 8). 이를 통해 전위차계와 관련된 문제가 발생하지 않으면서도 digipot의 이점을 갖추고, 기존 볼륨 제어와 같은 모양과 느낌을 갖는 손잡이를 간단하게 구현할 수 있습니다.

그림 8: digipot의 U/D 인터페이스는 저분해능 인코더의 트리거를 사용해 에지 트리거하여 저항 값을 상승 및 감소시킬 수 있습다. (이미지 출처: Microchip Technology)

digipot에 대한 허용 오차 범위는 일반적으로 많은 비율계량 또는 폐루프의 경우에 허용되는 공칭 값의 ±10% ~ ±20% 사이이므로 문제가 될 수 있습니다. 그러나 digipot이 외부 이산 저항기 또는 개방형 루프 응용 제품의 센서와 일치하는 경우 중요한 파라미터가 될 수 있습니다. 이러한 이유로 훨씬 더 엄격한 허용 오차 범위(최저 ±1%)를 가진 표준 digipot이 있습니다. 물론 모든 IC와 마찬가지로 저항의 온도 계수 및 온도와 관련된 드리프트도 요인이 될 수 있습니다. 벤더는 설계자가 Spice와 같은 회로 모델을 통해 그 영향을 평가할 수 있도록 규격서에 이 숫자를 지정합니다. 다른 엄격한 허용 오차 범위 옵션을 사용할 수 있으며 이에 대해 아래에서 설명합니다.

보정 또는 바이어스 점 설정, 대역폭 및 왜곡과 같은 정적 응용 제품에서는 문제가 되지 않지만 오디오 및 관련 응용 제품에서는 문제가 발생합니다. 스위치 기생, 핀 및 기판 정전 용량과 결합된 특정 코드의 저항 경로는 저항 커패시터(RC) 저역 통과 필터를 생성합니다. 끝대끝 저항 값이 더 낮으면 1kΩ digipot의 경우 최대 약 5MHz의 대역폭, 1MΩ 장치의 경우 5kHz까지 더 높은 대역폭을 지원합니다.

대조적으로, 총 고조파 왜곡(THD)은 주로 서로 다르게 적용된 신호 레벨에서 저항의 비선형성때문입니다. 끝대끝 저항이 더 높은 Digipot은 전체 저항에 비해 내부 스위치의 저항이 미치는 영향을 줄여 THD를 낮춥니다. 따라서 THD에 비해 대역폭은 설계자가 digipot의 공칭 값을 선택할 때 우선시하고 고려해야 하는 절충안입니다. 일반적인 값은 20kΩ digipot의 경우 -93dB, 100kΩ 장치의 경우 -105dB입니다.

이중, 쿼드 및 선형 대 대수 digipot의 차이

'핸드 오프' 제어 기능 외에도 digipot은 추가 단순성, 설계 용이성 및 전위차계보다 훨씬 저렴한 비용을 제공합니다. 기타 기능:

• 이중 digipot은 두 개의 저항을 독립적으로 조정해야 할 때 유용하지만, 특히 동일한 값을 가져야 할 때 더 유용합니다. 두 개의 개별 digipot IC를 사용할 수 있지만 이중 장치는 허용 오차 범위 및 드리프트에도 불구하고 저항 값을 추적하는 이점을 추가하고 쿼드 장치에도 사용할 수 있습니다.

• 선형 대 대수(로그) 설정: 트림 및 보정 응용 제품은 일반적으로 디지털 코드와 결과 저항 사이의 선형 관계가 필요하지만 많은 오디오 응용 제품은 오디오 상황에 필요한 데시벨 스케일링에 더 잘 맞도록 대수 관계의 이점을 얻습니다.

이러한 요구를 충족하기 위해 설계자는 Maxim Integrated Products의 DS1881E-050+과 같은 대수 digipot을 사용할 수 있습니다. 이 이중 채널 장치는 단일 5V 전원으로 작동하고 45kΩ 끝대끝 저항을 가지며 주소 핀이 있는 I²C 인터페이스를 통해 버스에서 최대 8개의 장치를 허용합니다. 두 채널 각각의 저항 값은 독립적으로 설정할 수 있으며 사용자가 선택 가능한 여러 구성의 파라미터가 있습니다. 기본 구성에는 0dB에서 -62dB까지 단계 당 1dB 감쇠와 음소거 기능이 있는 63단계가 있습니다(그림 9).

그림 9: Maxim DS1881E-050+ 이중 채널 digipot은 오디오 신호 경로용으로 설계되어 63dB 이상의 범위에서1dB/단계의 이득 조정을 제공합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated Products)

DS1881E-050+는 누화를 최소화하도록 설계되었으며 두 채널 모두 0.5dB 채널 간 정합되어 두 채널 간의 볼륨 차이를 최소화합니다. 이 장치는 또한 제로 크로싱 저항 스위칭을 구현하여 가청의 짤까닥 소리를 방지하고 비휘발성 메모리를 포함합니다. 일반적인 유틸리티는 아래에서 설명합니다.

digipot이 처리할 수 있는 최대 전압도 고려 사항입니다. 저전압 digipot은 +2.5V(또는 양극성 전원의 경우 ±2.5V)의 낮은 레일에서 작동하는 반면 Microchip Technology MCP41HV31—50kΩ, 128탭, SPI 인터페이스 장치— 과 같은 더 높은 전압은 최대 36V(±18V)의 레일에서 작동할 수 있습니다.

전력 재설정을 지원하는 비휘발성 메모리

기본 digipot에는 많은 장점이 있지만 전위차계에 비해 피할 수 없는 한 가지 단점이 있습니다. 전력이 제거된 후 설정이 손실되고 POR(파워온 리셋) 위치는 일반적으로 중간 범위에서 설계에 의해 설정됩니다. 유감스럽게도 많은 응용 분야에서 POR 설정은 허용되지 않습니다. 보정 설정을 고려해야 합니다. 일단 설정되면 회선 전력 제거 또는 배터리 교체에도 불구하고 의도적으로 조정할 때까지 이 설정을 유지해야 합니다. 또한 많은 응용 분야에서 '올바른' 설정은 전력이 제거되었을 때 마지막으로 사용된 설정이었습니다.

따라서 전위차계를 사용하는 나머지 이유 중 하나는 전력 재설정 시 설정을 잃지 않기 때문이지만 digipot은 이러한 단점을 해결했습니다. 처음에는 시스템 프로세서가 작동 중에 digipot 설정을 다시 읽도록 한 다음 전원을 켤 때 해당 설정을 다시 로드하는 것이 일반적인 설계 관행이었습니다. 그러나 이로 인해 전원 켜기 오류가 발생했으며 시스템 무결성 및 성능에 허용되지 않는 경우가 많았습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 벤더는 digipot에 EEPROM 기반 비휘발성 메모리(NVM) 기술을 추가했습니다. NVM을 사용하면 digipot은 전원 공급 장치가 꺼졌을 때 마지막으로 프로그래밍된 와이퍼 위치를 유지할 수 있으며 1회 프로그래밍 가능(OTP) 버전을 사용하면 설계자가 와이퍼의 파워 온 리셋(POR) 위치를 사전 정의된 값으로 설정할 수 있습니다.

NVM을 통해 다른 기능을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, Analog Devices AD5141BCPZ10에는 EEPROM 메모리에 저항기 허용 오차 범위가 저장되어 있습니다(그림 10). 이 장치는 I²C 및 SPI 인터페이스를 모두 지원하는 단일 채널, 128/256위치, 재기록 가능한 비휘발성 디지털 전위차계입니다. 저장된 허용 오차 범위 값을 사용하여 설계자는 0.01%의 정확도로 실제 끝대끝 저항을 계산하여 '와이퍼 위' 및 '와이퍼 아래'의 digipot 세그먼트 비율을 정의할 수 있습니다. 이는 NVM 없이 훨씬 더 높은 정확도를 갖는 digipot에 대해 1% 정확도보다 100배 더 우수합니다.

그림 10: Analog Devices의 AD5141BCPZ10 digipot은 원하는 파워 온 리셋 설정을 저장하는 데 사용할 수 있는 재기록 가능한 비휘발성 메모리(EEPROM)와 자체 저항기 어레이에 대한 교정 계수를 통합합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 선형 이득 설정 모드를 사용하면 R_AW 및 R_WB 스트링 저항기를 통해 디지털 전위차계 단자 간의 저항을 독립적으로 프로그래밍할 수 있으므로 매우 정확한 저항 정합이 가능합니다(그림 11 ). 이러한 정확도는 예를 들어 이득이 두 저항기의 비율에 의해 결정되는 반전 증폭기 토폴로지에 주로 필요합니다.

그림 11: digipot의 NVM은 정확한 저항 비율을 사용하여 증폭기 이득을 설정하는 회로의 와이퍼 위와 아래에 보정된 저항을 저장하는 데도 사용할 수 있습니다.(이미지 출처: Analog Devices)

digipot의 특이성에 주의

digipot은 기존 장치가 덜 바람직하거나 실용적이지 않은 전위차계를 대체하는 데 널리 사용되지만 설계자가 고려해야 할 몇 가지 특성이 있습니다. 예를 들어, 전위차계의 금속 와이퍼는 접촉 저항이 거의 0에 가까운 저항 소자와 접촉하며 일반적으로 무시할 수 있는 온도 계수를 갖습니다. 그러나 digipot의 경우 와이퍼는 낮지만 여전히 수십 옴에서 1kΩ 정도의 의미 있는 저항을 가진 CMOS 소자입니다. 1밀리암페어(mA)의 전류가 1kΩ 와이퍼를 통과하면 결과적으로 와이퍼에서 1볼트 강하가 출력 신호의 작동 범위를 제한할 수 있습니다.

또한 이 와이퍼 저항은 인가 전압과 온도의 함수이므로 비선형성을 유발하여 신호 경로에서 AC 신호의 왜곡을 유발합니다. 섭씨(ppm/⁰C)당 약 300ppm의 일반적인 와이퍼 온도 계수는 중요할 수 있으며 고정밀 설계를 위한 오류 예산에 포함되어야 합니다. Digipot 모델도 훨씬 더 낮은 계수로 제공됩니다.

결론

digipot은 많은 시스템 아키텍처 및 회로 설계에서 고전적인 전기 기계 전위차계를 대체하는 디지털 세트 IC입니다. 제품 크기와 예기치 않은 이동으로 인한 오류 가능성을 줄일 뿐만 아니라 프로세서 및 소프트웨어와의 호환성을 추가하는 동시에 다른 유용한 기능과 함께 더 높은 정확도와 분해능(필요한 경우)을 제공합니다.

그림과 같이 digipot은 다양한 공칭 저항 값, 단계 크기 및 정확도로 제공되고, 비휘발성 메모리를 추가하면 기능이 확장되어 많은 응용 분야에서 사용하는 데 중요한 장벽을 극복할 수 있습니다.

추가 자료

1. IC를 통해 TRIAC 구동 회로에서 LED 램프 조광 문제 해결