齐纳二极管调整器设计-电子技术方案|电路图讲解

　　IC参考很受电路设计者的欢迎，因为它们不仅精确而且飘移很小。在我今后的一些专栏文章中，将陆续讨论三种IC参考：埋入式齐纳二极管、带隙及XFET。当您用齐纳二极管进行参考设计时，由于齐纳二极管相对较简单，因此可用它来演示设计过程，而使用中的问题会让您庆幸有IC参考。电路指标为：V_CC=30V±10%、8.445 V_REF 9.555、ΔV_REF 200 mV、100 kΩ R_LOAD 200 kΩ及0°C T_A 80°C。

　　第一次试用可选择一个9.1V的1N757齐纳二极管。请注意，最大温度系数为6 mV/°C，齐纳二极管电压容差为±5%。计算出的参考电压等于最大指标：V_REF=(1.05)(9.1)=9.555V，但温飘为ΔV_REF=(80-25)(6 mV)=0.330V，超过了最大温飘电压指标。

　　将一个信号二极管与一个1N756 8.2V齐纳二极管串联，这样信号二极管的负温度系数即可部分抵消齐纳二极管的正温度系数（图1）。二极管的温度系数为 -2.1至-2.3 mV/°C，而8.2V齐纳二极管的温度系数则为5.4 mV/°C，因此组合最大温度系数为3.3 mV/°C。在这种情况下，ΔV_REF=181.5 mV，满足指标，但最小参考电压V_REF=(0.95)(8.2)+0.5=8.29V，小于规定的8.445V极限值。

　　由于其他齐纳特征（例如齐纳阻抗及偏置电流等）会影响ΔV_REF，因此此分析并不完整。现在不应该再使用一个纯粹的齐纳二极管，而是应该使用一个温度补偿齐纳二极管。1N935拥有9.075V的齐纳电压与5%的容差以及2 mV/°C的温度系数；而I_Z=7.5 mA时的齐纳阻抗为20Ω，其中I_Z为齐纳测试电流。电压参考为8.62 V_REF 9.53。快速计算一下温度系数的误差可得到电压变化的最大值ΔV_REF1=110 mV。到目前为止，参数都很不错，但您需要进行进一步的计算以获得完整的图象。

　　计算R_BIAS，得R_BIAS=(V_CC-V_REF)/I_Z=(30-9)/7.5=2885Ω，取R_BIAS=2800Ω±2%。（图1中的温度补偿齐纳管包括了二极管。）由于存在电源和电阻公差，因此I_Z的变化范围从[(30)(0.9)-9.53-0.11]/2.8(1.02)=6.07 mA到 [(30)(1.1)-8.62-0.05]/2.8(0.98)=8.86 mA。负载电阻的改变使I_Z变化大约90 μA，可忽略不计。温度补偿齐纳管的电流改变对应于大约±5Ω的齐纳阻抗变化（参考文献1），但ΔV_REF只变化了大约 ±37.5 mV。您还应该考虑齐纳电压的变化。由于I_Z的漂移，当ΔVREF变化 ±50 mV时，齐纳管的工作点发生了变化。此外，还需记住，直流电压所包含的最大宽带半导体噪声为20 μV。

　　最终得到电压参考变化为110+37.5+50=197.5 mV。有人会认为这种分析不够严密，的确如此，但这种分析可让您对齐纳参考的使用有一些了解。如果VCC低至12V，则齐纳二极管就不能满足指标。R_LOAD较大时，负载阻抗变化不会影响设计计算。而小一点的2kΩ负载阻抗，变化1 kΩ时即会导致IZ的巨大变化，这就需要使用一个齐纳二极管缓冲器。如果齐纳二极管为电路的一部分，则您可以用激光来对R_LOAD进行调整，这样就没有必要增加缓冲器。这种埋入式齐纳二极管电压参考方法似乎是一种建立电压参考的较好方法。

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概述

数字电位器具有可靠性高、尺寸小、易使用等优点，被广泛用来替代机械式电位器，尤其是在音量控制方面，应用非常普遍。考虑到人耳对音量衰减的感知是非线性的，会把对数衰减当作线性衰减，所以，音频设备中一般倾向于使用对数数字电位器，而不是线性数字电位器。如果系统内只提供了高分辨率的线性数字电位器，在不更改系统硬件的前提下，可以采用以下方式将线性电位器(图1)转换成对数电位器。


图1. 该系列数字电位器采用标准配置，具有电阻串的高端、低端以及中心抽头连接点，中心抽头的位置可以沿着电阻串移动。

用线性电位器实现对数调节

利用数学关系式简单、易懂的线性抽头数字电位器，可以完成对数数字电位器的功能。由于数字电位器实质上是一个分压电路，其输出电压与作用在电位器两端的输入电压V_IN (V_IN作用在R_H)存在一定的对应关系，可以用下式表示：

V_OUT = V_IN(R_W-L / R_H-L)(Eq. 1)

其中，R_W-L是中心抽头(W)和电阻串低端(L)之间的电阻值，R_H-L是电位器两端之间的总电阻。

按照下式计算电压衰减量的分贝数：

衰减量(dB) = 20 * log(V_OUT / V_IN)(Eq. 2)

将公式(1)的V_OUT代入式(2)，可以得到以下关系式：

衰减量(dB) = 20 * log[V_IN(R_W-L / R_H-L)/V_IN] = 20 * log(R_W-L / R_H-L)(Eq. 3)

按照图2所示，电阻值可以用电位器的抽头位置(R_W-L)和总的抽头数(R_H-L)表示。


图2. 线性电位器的抽头点位于等分电阻串的位置

电位器抽头位置(R_W-L)可以表示为:

R_W-L = (Total_Taps - x) * R(Eq. 4)

其中x = 1, 2, 3...Total_Taps，Total_Taps是总的抽头数。

由于第一个抽头点(最小衰减量)不含电阻，端至端总电阻为：R_H-L = (Total_Taps - 1) * R，衰减量可以用下式表示：

衰减量(dB) = 20 * log[(Total_Taps - x) / (Total_Taps - 1)](Eq. 5)

其中x Total_Taps，如果x = Total_Taps，则衰减量趋于-。

结论

由上述分析可见，将线性电位器转换成对数电位器是完全可行的，这种方法非常适合高分辨率线性电位器(128抽头或更高)，因为对数电位器的分辨率被严格限定在线性抽头点的范围内(少于128)。此外，由于内部结构，如ESD保护电路或作为开关的晶体管的非线性导通电阻，可能在端点处影响精度。下面给出的程序代码可以实现衰减量与抽头位置之间(图3)以及所要求的抽头位置与衰减量之间(图4)的转换。


图3. 该程序用于衰减量与抽头位置之间的转换


图4. 该程序用于抽头位置与衰减量之间的转换
                                       

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