[发明专利]改进的线性度和稳定时间的数字切换式电位计

说明书

本发明涉及一种数字控制电位计，特别涉及一种具有增强的线性度和更快的稳定时间的数字电位计。

数字电位计，有时指的是“电压比例定标(scaling)的数-模转换器(DAC)”，正在取代模拟电位计，因为数字电位计体积更小、更容易进行精确设置、可进行远程控制并且其造价越来越低。数字电位计的调节细度或者“粒度”是由“数字位”的数量来确定，其中“数字位”的数量用于选择所所需的电阻值，即8位可允许有256种不同的阻值选择，10位允许有1024种选择等。更精确的调节粒度(更多的数字位)的缺点是使得实现数字电位计所需的附件(电阻、开关、解码器和逻辑电路)的数量迅速增加。

电压数模转换器DAC通过一个可选择的分接抽头的分压电阻串产生一个模拟输出电压，该分接抽头的分压电阻串连接在高参考电压和低参考电压之间，其中低参考电压一般是接地的。这些类型的转换器最常作为金属氧化物半导体(“MOS”)模数转换系统中的组合部件，它们作为连续近似型模数转换器的DAC子部分。对于一个N位的电压比例定标的数模转换器DAC，电阻串由2^N个相同的电阻串联而成，DAC作为一个电位计，其中顺序串接的电阻之间的电压电平由一个二元式开关装置进行取样。数字电位计替代机械电位计和可变电阻器是非常重要的，因为机械电位计和可变电阻器的体积一般都很大。

图1为N位DAC的根据电压比例定标原理操作的示意图。由串接的电阻R1、R2、R3……R2^N-1、R2^N组成一个电阻串，该电阻串连接在一个高参考电压(VREF+)节点2和一个低参考电压(VREF-)节点4之间，高参考电压和低参考电压的电压值典型的分别为5V和接地。每一个电阻上的电压降等于输出电压变化的最低有效位(LSB)。采用一个解码开关网络，如附图中的开关S1,S2,S3,……,S2^N对输出进行采样。每一个开关分接在电阻串的不同点上，这样闭合一个特定的电阻同时使其它电阻处于断开状态，可使唯一的模拟电压输出到公共输出线6上，每一个开关都与该公共输出线6相连接。一个解码器(图中未示出)控制着开关的操作，这样将电压与输入的数字信号的量值相应的开关闭合。由一个高阻抗缓冲放大器或者一个电压跟随器A1可检测在模拟输出线6上的信号，且其输出与产生最终输出模拟电压的输出终端8相连接。为了确保转换的精度，缓冲放大器应吸取与电阻串内的电流相比的一个可忽略的直流偏流。用于高位计数D/A转换的这种类型的电路的主要缺点是所需的部件的数量非常大：2^N个电阻、2^N个开关和2^N个逻辑驱动线路。例如，在一个12位的实施方案中，将需要使用4096个电阻、4096个开关和4096个逻辑驱动线路。因此非常需要能减少部件的庞大数量，从而可以节省面积、提高产量和降低成本。

目前有一种电压比例定标(scaling)数模转换器DAC，通过使用一个电阻串和一个分立的电阻串，它能大大减少所需的电阻和开关的数量，该电阻串由2^N个电阻组合成并用于输入数字信号的最高有效位(MSB)，该分立电阻串也由2^N个电阻组合成并用于最低有效位(LSB)。在LSB串中的每一个电阻的阻值等于每一个MSB电阻的阻值的1/2^N/2。LSB串的相对端与其中一个MSM电阻并联。通过改变选择用于LSB串连接的MSB电阻和从LSB串中取得一输出，在由1到2^N/2-1 LSB的全部范围内可以得到按一个LSB增量的输出。