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AD5291和AD5292是单通道数字电位器

2020-10-10 16:42:24  156 AD5291
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特征
单通道,256-/1024位置分辨率;20 kΩ、50 kΩ和100 kΩ标称电阻;最大±1%标称电阻公差误差(电阻性能模式);20倍可编程雨刮存储器变阻器模式温度系数:35 ppm/℃;分压器温度系数:5ppm/℃;+9 V至+33 V单电源操作;±9 V至±16.5 V双电源操作;SPI兼容串行接口;雨刮器设置回读;从20-TP内存刷新上电。
应用
机械电位计的更换;仪器:增益和偏移调整;可编程电压电流转换;可编程滤波器、延迟和时间常数;可编程电源;低分辨率DAC替换;传感器校准
一般说明
AD5291和AD5292是单通道、256-/1024位数字电位器,将业界领先的可变电阻性能与非易失性存储器(NVM)紧密结合在一起。这些器件能够在宽电压范围内工作,支持在±10.5 V至±16.5 V下的双电源操作和在+21 V至+33 V下的单电源操作,同时确保端到端电阻公差误差小于1%,并提供20时间可编程(20-TP)存储器。
保证行业领先的低电阻公差误差特性简化了开环应用以及精确校准和公差匹配应用。
AD5291和AD5292设备雨刮器设置可通过SPI数字接口进行控制。在将电阻值编程到20-TP存储器之前,允许无限制的调整。AD5291和AD5292不需要任何外部电压电源来促进保险丝熔断,有20个永久编程的机会。在20-TP激活期间,永久熔断器命令冻结雨刮器位置(类似于将环氧树脂放置在机械修剪器上)。
AD5291和AD5292采用紧凑的14导TSSOP封装。该部件保证在扩展的工业温度范围内(从-40°C到+105°C)工作。

时序图

绝对最大额定值
TA=25°C,除非另有说明。

1、 最大终端电流由开关的最大电流处理、封装的最大功耗以及在给定电阻下A、B和W端子中任意两个端子的最大外加电压限定。
2、 最大持续电流。
3、 脉冲占空比。
4、 包括OTP存储器的编程。
大于或等于绝对最大额定值的应力可能会对产品造成永久性损坏。这仅是一个应力等级;不暗示产品在本规范操作部分所述条件或以上任何其他条件下的功能运行。超过最大运行条件的长时间运行可能会影响产品的可靠性。
热阻
θJA由JEDEC规范JESD-51定义,该值取决于测试板和测试环境。

典型性能特征

测试电路
图58到图63定义了规范部分中使用的测试条件。

操作理论
AD5291和AD5292数字电位器被设计成可作为模拟信号的真实可变电阻器工作,模拟信号保持在VSS<VTERM<VDD的终端电压范围内。获得专利的±1%电阻公差特性有助于将总RDAC电阻误差降至最低,从而通过提供更好的绝对匹配和改进的开环性能来降低总体系统误差。数字电位计雨刮器位置由RDAC寄存器内容决定。RDAC寄存器用作草稿行寄存器,允许根据需要进行多个值更改,以将电位计雨刮器放置在正确的位置。RDAC寄存器可以通过加载16位数据字,使用标准SPI接口进行任何位置设置编程。一旦找到所需的位置,该值就可以存储在20-TP存储器寄存器中。此后,雨刮器位置始终恢复到该位置,以便随后通电。20-TP数据的存储大约需要6 ms;在此期间,移位寄存器被锁定,防止发生任何变化。RDY管脚标识此20-TP存储的完成。
串行数据接口
AD5291和AD5292包含一个串行接口(SYNC、SCLK、DIN和SDO),该接口与SPI接口标准以及大多数DSP兼容。该部分允许通过串行接口将数据写入每个寄存器。
移位寄存器
AD5291和AD5292移位寄存器的宽度为16位(请参阅图2)。16位输入字由两个零组成,后跟由4个控制位和10个RDAC数据位组成。对于AD5291,较低的两个RDAC数据位不关心RDAC寄存器是读还是写。数据首先加载MSB(位DB15)。四个控制位决定软件命令的功能(见表11)。图3显示了典型AD5291和AD5292写入序列的时序图。
写入序列开始时将同步线调低。这个同步管脚必须保持低位,直到从DIN管脚加载完整的数据字。当SYNC返回high时,根据表11中的命令对串行数据字进行解码。指令位(Cx)控制数字电位器的操作。数据位(Dx)是加载到解码寄存器中的值。AD5291和AD5292具有一个内部计数器,该计数器对16位(一帧)的倍数进行计数以确保正常工作。例如,AD5291和AD5292可以处理32位字,但不能正确处理31位或33位字。当同步度高时,AD5291和AD5292不需要连续的SCLK,所有串行接口管脚应在靠近VLOGIC供电轨的位置操作,以将数字输入缓冲器中的功耗降至最低。
RDAC寄存器
RDAC寄存器直接控制数字电位计雨刮器的位置。例如,当RDAC寄存器加载所有零时,雨刮器连接到可变电阻器的端子B。RDAC寄存器是一个标准逻辑寄存器;对允许的更改数量没有限制。

20-TP存储器
一旦找到理想的雨刷位置RDAC寄存器可以保存在20-TP内存寄存器中(见表12)。此后,雨刮器位置始终设置在该位置,以便将来进行任何通断通电顺序。AD5291和AD5292具有20个一次性可编程(OTP)存储器寄存器阵列。当所需的字被编程到20-TP存储器时,设备自动验证编程命令是否成功。验证过程包括保证金测试。可以轮询控制寄存器的位C3,以验证fuse program命令是否成功。将数据编程到20-TP存储器大约需要25毫安的550微秒,大约需要8毫秒才能完成。在此期间,移位寄存器被锁定,防止发生任何更改。RDY引脚可用于监控20-TP存储器程序的完成和验证。编程20-TP存储器不需要改变电源电压。但是,需要在外盖销上安装1μF电容器(见图68)。在20-TP激活之前,AD5291和AD5292在通电时预设为中刻度。
写保护
通电时,RDAC寄存器和20-TP内存寄存器的移位寄存器写入命令均被禁用。控制寄存器(见表13和表14)的RDAC写保护位C1默认设置为0。这将禁用对RDAC寄存器内容的任何更改,而不考虑软件命令,除了可以使用软件重置命令(命令4)从20-TP内存或通过重置管脚通过硬件刷新RDAC寄存器。要启用可变电阻雨刮器位置的编程(编程RDAC寄存器),必须首先编程控制寄存器的写保护位C1。这是通过用命令6加载移位寄存器来实现的(见表11)。要启用20-TP内存块位的编程,控制寄存器的C0(默认设置为0)必须首先设置为1。

基本操作
设置可变电阻雨刮器位置的基本模式(对RDAC寄存器进行编程)是通过使用命令1(见表11)和所需雨刮器位置数据加载移位寄存器来完成的。当确定所需的雨刮器位置时,用户可以使用命令3(见表11)加载移位寄存器,该命令将雨刮器位置数据存储在20-TP存储器寄存器中。6毫秒后,刮水器位置永久存储在20-TP存储器中。RDY引脚可用于监控20-TP程序的完成。表12提供了一个编程示例,列出了串行数据输入(DIN)字的序列,串行数据输出以十六进制格式出现在SDO管脚处。
20-TP回读和备用存储器状态
可以使用命令5通过SDO读回任何20-TP内存寄存器的内容(见表11)。数据字节的低位5个LSB位(D0到D4)选择要读取的内存位置(见表16)。在下一个SPI操作期间,来自选定存储器位置的数据从SDO管脚中打卡,其中最后10位包含指定存储器位置的内容。
还可以通过读取使用命令5的只读内存地址0x14和内存地址0x15。从存储器地址0x014和存储器地址0x015读回的数据字节是最后编程的存储器位置地址的温度计编码版本。
对于表15中列出的示例,最后编程位置的地址计算如下:

如果没有对内存位置进行编程,则生成的地址为-1。
关机模式
通过执行软件关闭命令,命令8(参见表11),并将LSB,D0,设置为1。此功能将RDAC置于一种特殊状态,在这种状态下,端子a开路,雨刮器W连接到端子B。通过进入关机模式,RDAC寄存器的内容保持不变。但是,在关闭模式下支持表11中列出的所有命令。执行命令8(见表11),并将LSB D0设置为0以退出关机模式。

电阻性能模式
此模式激活了一个新的、获得专利的1%端到端电阻公差,确保每个代码的电阻公差为±1%,即代码=半刻度,R=10 kΩ±100Ω。参见表2(AD5291)或表5(AD5292)检查哪些代码达到了电阻公差的±1%。电阻器性能模式由控制寄存器的编程位C2激活(见表13和表14)。典型的沉降时间如图50所示。
重置
硬件复位引脚从低到高的转换加载包含最近编程的20-TP存储器位置内容的RDAC寄存器。AD5291和AD5292也可以通过执行命令4(见表11)通过软件复位。如果没有对20-TP存储器位置进行编程,则复位时RDAC寄存器加载中刻度。控制寄存器用默认位恢复;见表14。
SDO引脚和菊花链操作
串行数据输出引脚(SDO)有两个用途:分别使用命令2、命令5和命令7(见表11)读取雨刮器设置、50-TP值和控制寄存器的内容,或者SDO引脚可以在菊花链模式下使用。数据在SCLK上升沿的SDO中计时。SDO引脚包含一个开漏N沟道FET,如果使用该引脚,则需要一个上拉电阻器。要将管脚置于高阻抗中,并在使用管脚时将功耗降至最低,应向部件发送0x8001数据字,后跟命令0。表17提供了串行数据输入(DIN)序列的示例列表。菊花链使控制IC所需的端口引脚数量最小化。如图64所示,用户需要将一个包的SDO管脚绑定到下一个包的DIN管脚。用户可能需要增加时钟周期,因为在SDO-toDIN接口处的上拉电阻和电容负载可能需要后续设备之间的额外时间延迟。
当两个AD5291和AD5292设备采用菊花链连接时,需要32位数据。前16位进入U2,然后第二个16位进入U1。将同步管脚保持在低位,直到所有32位被记录到各自的移位寄存器中。然后将同步管脚拉高以完成操作。

保持同步管脚处于低位,直到所有32位都进入各自的串行寄存器。然后将同步管脚拉高以完成操作。

RDAC体系结构
为了获得最佳性能,模拟设备已为所有数字电位器申请了RDAC分段结构专利。特别是,AD5291和AD5292采用三阶段分割方法,如图65所示。AD5291和AD5292雨刮器开关采用传输栅CMOS拓扑结构,栅电压由VDD和VSS导出。

可变电阻编程
变阻器操作-1%电阻公差
当只有两个端子用作可变电阻器时,AD5291和AD5292在变阻器模式下工作。未使用的终端可以保持浮动或绑定到W终端,如图66所示。

端子A和端子B,R之间的标称电阻分别为20 kΩ、50 kΩ和100 kΩ,以及由雨刮器端子接入的256或1024个抽头点。RDAC锁存器中的8/10位数据被解码以选择256/1024可能的雨刮器设置之一。AD5291和AD5292包含一个内部的±1%电阻性能模式,可以通过对控制寄存器的C2位进行编程来禁用或启用(这在默认情况下是启用的)(见表13和表14)。W端子和A端子R之间以及W端子和B端子R之间的数字编程输出电阻经过内部校准,在宽代码范围内最大绝对电阻误差为±1%。因此,用于确定W端子和B端子之间数字编程输出电阻的一般方程为:

其中:D是加载在8/10位RDAC寄存器中的二进制代码的十进制等效值。
RAB是端到端的阻力。
与机械电位器类似,W端子和A端子之间的RDAC电阻也产生数字控制的互补电阻,R.Ris也经过校准,最大绝对电阻误差为1%。R从最大电阻值开始,随着加载到锁存器中的数据的增加而减小。此操作的一般方程式为:

其中:D是加载在8/10位RDAC寄存器中的二进制代码的十进制等效值。
RAB是端到端的阻力。
在零标度条件下,存在120Ω的有限总雨刮电阻。无论部件在哪个设置中工作,注意将端子A和端子B之间、端子W和端子A之间以及端子W和端子B之间的电流限制在±3毫安的最大持续电流或表8中规定的脉冲电流。否则,内部电阻器可能会退化或损坏。
对电位计分压器编程
电压输出操作
数字电位器很容易在雨刷器到B和雨刷器到a处产生与a到B处输入电压成比例的分压器,如图67所示。与V到GND的极性(必须是正的)不同,A到B、W到A和W到B之间的电压可以是任意极性。

如果为了简单起见忽略雨刮器电阻的影响,将A端子连接到30 V,B端子连接到接地,则在雨刮器W到B端子处产生小于30 V的0 V到1 LSB的输出电压。每个LSB的电压等于施加在A端子和B端子上的电压,除以电位计分压器的256/1024位置。对于施加在端子A和端子B上的任何有效输入电压,定义相对于接地的V输出电压的一般方程为:

如果在分压器模式下使用AD5291和AD5292,如图67所示,则在与离散电阻匹配时,±1%电阻公差校准功能可减少误差。但是,建议通过编程控制寄存器的位C2(见表13和表14)来禁用内部±1%电阻公差校准功能,以优化雨刮器位置更新率。在此配置中,RDAC是比率测量的,电阻公差误差不会影响性能。
数字电位器在分压器模式下的操作可使温度过高时的操作更加精确。与变阻器模式不同,输出电压主要取决于内部电阻R和R的比值,而不是绝对值。因此,温度漂移降低到5ppm/℃。
外电容器
在AD5291和AD5292的整个运行过程中,必须在通电时将1μF电容器接地至外部盖脚(见图68)。

终端电压工作范围
AD5291和AD5292的正V和负V电源定义了3端数字电位器正常工作的边界条件。端子A、端子B和端子W上出现的超过V或V的电源信号被内部正向偏置二极管钳制(见图69)。

AD5291和AD5292设备的接地引脚主要用作数字接地参考。为了将数字接地弹跳降至最低,AD5291和AD5292接地端子应远程连接到公共接地。AD5291和AD5292的数字输入控制信号必须参考设备接地引脚(GND),并满足规范部分中定义的逻辑电平。
上电顺序
为确保AD5291和AD5292正确通电,必须将1μF电容器连接到外部盖脚。由于有二极管限制端子A、端子B和端子W处的电压合规性(见图69),因此在向端子A、端子B和端子W施加任何电压之前,必须先为V和V通电。否则,二极管会正向偏压,导致V和V意外通电。理想的通电顺序是GND、V、V和V,数字输入,然后是V、V和V。只要在V、V和V之后通电,V、V和数字输入的通电顺序并不重要。
无论电源的通电顺序和斜坡速率如何,在V通电后,通电预设激活,将20-TP存储器值恢复到RDAC寄存器。
应用程序信息
高压DAC
AD5292可以配置为高电压DAC,输出电压高达33V。电路如图70所示。输出是:

其中D是0到1023之间的十进制代码。

带升压输出的可编程电压源
对于需要大电流调整的应用,如激光二极管或可调谐激光器,可以考虑使用升压电源;见图71。

在该电路中,运算放大器的反向输入迫使VOUT等于数字电位器设置的雨刮器电压。负载电流随后由电源通过N通道FET(U3)传输。N通道FET功率处理必须足以耗散(VIN-VOUT)×IL功率。该电路可以用33伏电源供电,最大电流为100毫安。
高精度数模转换器
通过在特定的降低电压范围内优化设备的分辨率,可以将AD5292配置为高精度DAC。这是通过在RDAC的任一侧放置外部电阻来实现的,如图72所示。改进的±1%R公差规范大大减少了与离散电阻匹配相关的误差。

可变增益仪表放大
如图73所示,AD8221与AD5291、AD5292和ADg1207一起构成了用于数据采集系统的优秀仪表放大器。数据采集系统具有低失真、低噪声的特点,能够在各种模数转换器前对信号进行调理。

增益可以用公式9计算。

音频音量控制
优良的THD性能和高电压性能使AD5291和AD5292成为音频衰减器或增益放大器等数字音量控制的理想选择。这些系统中的一个典型问题是,在任何时候音量水平的大的阶跃变化都可能导致音频信号的突然中断,从而产生可听见的拉链噪声。为了防止这种情况,过零窗口检测器可以插入到同步线以延迟设备更新,直到音频信号穿过窗口。因为输入信号可以在任何直流电平而不是绝对零伏电平上工作,在这种情况下过零意味着信号是交流合的,而直流偏移电平是信号的零参考点。
减少拉链噪音的配置如图74所示,使用此配置的结果如图75所示。输入由C1进行交流耦合并在输入由U2、U3和U4B形成的窗口比较器之前衰减。U6用于建立信号零参考。比较器的上限设置在其偏移量之上,因此,在本例中,每当输入在2.502 V和2.497 V(或0.005 V窗口)之间时,输出脉冲高。这个输出是同步信号使AD5291和AD5292在信号穿过窗口时更新。避免不断更新的设备,同步信号应编程为两个脉冲,而不是一个。
在图75中,较低的记录道显示,当信号在过零窗口附近发生变化时,音量级别从四分之一刻度变为满刻度。

外形尺寸

[1]最大终端电流由开关的最大电流处理、封装的最大功耗以及在给定电阻下A、B和W端子中任意两个的最大外加电压限定。2最大持续电流3脉冲占空比。
[2]包括OTP存储器的编程。
[3]X=不在乎。
[4]在AD5291中,这一点无关紧要。
[5]雨刮器位置冻结至20-TP存储器中上次编程的值。如果先前未对20-TP存储器进行编程,则雨刮器冻结到中刻度。
[6]允许用户计算剩余的空闲内存位置。


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