Os fundamentos dos potenciômetros digitais e como usá-los

Os potenciômetros mecânicos têm sido usados por projetistas há décadas em aplicações que vão desde o ajuste de circuitos até o controle de volume. No entanto, eles têm suas limitações: seus cursores podem se desgastar, são suscetíveis à entrada de umidade e podem ser acidentalmente movidos para fora da posição definida. Além disso, à medida que o mundo se torna digital, os projetistas precisam de uma alternativa para atender aos requisitos de controle mais preciso e alta confiabilidade, além de flexibilidade para ajustar os valores remotamente por meio de firmware.

Os CIs de potenciômetros digitais — conhecidos em inglês como digipots — resolvem esses problemas fazendo a ponte entre o domínio digital e o mundo dos resistores analógicos. Como um componente totalmente eletrônico e compatível com microcontroladores, os digipots permitem que um processador e um software controlem, definam e variem o valor da resistência ou a relação do divisor de tensão.

Eles oferecem recursos e funções que os dispositivos mecânicos não podem oferecer e são mais robustos e confiáveis, pois não têm cursor móvel. Não podem ser ajustados deliberada ou inadvertidamente, evitando alterações inexplicáveis no desempenho. As aplicações incluem estabilização térmica de LEDs, atenuação de LEDs, controle de ganho de malha fechada, ajuste de volume de áudio, calibração e ajustes de ponte de Wheatstone para sensores, controle de fontes de corrente e ajuste de filtros analógicos programáveis, para citar apenas alguns.

Este artigo fará uma breve introdução aos potenciômetros e sua evolução para os digipots. Em seguida, ele usará componentes da Analog Devices, Maxim Integrated, Microchip Technology e Texas Instruments para explicar a operação do digipot, as configurações básicas e avançadas e como eles atendem aos requisitos de ajuste do circuito. Ele mostrará como suas funções, recursos, capacidades e opções podem ser usados para simplificar circuitos, tornar os circuitos compatíveis com o processador e reduzir ou até mesmo eliminar a necessidade de potenciômetros mecânicos volumosos e menos confiáveis.

Comece com os conceitos básicos de potenciômetro

O potenciômetro tem sido um componente essencial e passivo do circuito desde os primórdios da eletricidade e da eletrônica. É um dispositivo de três terminais com um elemento resistor acessível, que fornece uma função de divisor de tensão por meio de seu cursor ajustável pelo usuário em um eixo rotativo. Ele é usado em inúmeros circuitos analógicos e de sinal misto para atender a uma ampla variedade de requisitos de aplicações (Figura 1).

Figura 1: O potenciômetro padrão é um resistor variável ajustável pelo usuário com um eixo rotativo. (Fonte da imagem: etechnog.com)

A resistência vista pelo circuito entre um dos contatos da extremidade e o cursor ajustável varia de zero ohms (nominal) até o valor nominal total da resistência do fio ou do filme à medida que o cursor gira e desliza ao longo do elemento resistivo. A maioria dos potenciômetros tem uma faixa de rotação de cerca de 270 a 300 graus, com uma resolução mecânica típica e repetibilidade de cerca de 0,5% e 1% do valor total do fundo de escala (entre uma parte em 200 e 100, respectivamente).

Observe que há uma pequena, mas distinta e importante diferença entre um potenciômetro e seu irmão mais novo, o reostato. Um potenciômetro é um dispositivo de três terminais que atua como um divisor de tensão (Figura 2, à esquerda), enquanto o reostato é uma resistência ajustável de dois terminais que controla o fluxo de corrente. O potenciômetro é frequentemente conectado para criar um reostato, o que pode ser feito de três maneiras semelhantes, deixando um terminal da extremidade desconectado ou conectado diretamente ao cursor (Figura 2, à direita).

Figura 2: O potenciômetro com terminais da extremidade A e B e cursor W (esquerda) pode ser facilmente usado como reostato com qualquer uma das três abordagens de conexão (direita). (Fonte da imagem: Analog Devices)

Digipots: Potenciômetros em forma de CI

O potenciômetro digital totalmente eletrônico emula a funcionalidade do potenciômetro eletromecânico, mas o faz usando um CI sem partes móveis. Ele aceita um código digital em um dos vários formatos e estabelece um valor de resistência correspondente. Por isso, às vezes ele é chamado de conversor digital-analógico resistivo (RDAC).

Em um potenciômetro tradicional, uma mão (ou, às vezes, até mesmo um pequeno motor) define a posição do cursor e, portanto, a relação do divisor de tensão. Em um digipot, no entanto, os controles do computador se conectam ao CI do digipot por meio de uma interface digital e estabelecem um valor equivalente à posição do cursor (Figura 3).

Figura 3: O CI digipot substitui o ajuste manual do cursor do potenciômetro por uma chave eletrônica ajustada digitalmente que emula um cursor mecânico. (Fonte da imagem: Circuits101, modificado)

O digipot usa a tecnologia de CI CMOS padrão e não requer fabricação ou manuseio especiais. O tamanho de um CI digipot de montagem em superfície, normalmente 3 x 3 milímetros (mm) ou menos, é muito menor do que um potenciômetro ajustado por botão ou até mesmo um pequeno potenciômetro trimmer ajustado por chave de fenda (trimpot) e é manuseado como qualquer outro CI de tecnologia de montagem em superfície (SMT) no que diz respeito à produção de placas de circuito impresso.

Em princípio, a topologia interna do digipot consiste em uma simples cadeia serial de resistores com chaves eletrônicas endereçáveis digitalmente entre o cursor e esses resistores. Usando um comando digital, a chave apropriada é ligada enquanto outras são desligadas, estabelecendo assim a posição desejada do cursor. Na prática, essa topologia tem algumas desvantagens, incluindo a necessidade de uma abundância de resistores e chaves e um tamanho maior da pastilha.

Para minimizar essas preocupações, os fornecedores criaram arranjos alternativos inteligentes de resistores e chaves que reduzem seu número, mas produzem o mesmo efeito. Cada uma dessas topologias resulta em pequenas diferenças na forma como o digipot é distribuído e em suas características de segunda camada, mas grande parte disso é transparente para o usuário. No restante deste artigo, usaremos o termo potenciômetro para o dispositivo eletromecânico e digipot para o dispositivo totalmente eletrônico.

Os Digipots ofereceram uma série de especificações e recursos

Como acontece com qualquer componente, há parâmetros de primeira linha e outros secundários a serem considerados ao selecionar um digipot. As questões principais são o valor da resistência nominal, a resolução e o tipo de interface digital, enquanto as considerações incluem tolerância e fontes de erro, faixa de tensão, largura de banda e distorção.

• O valor da resistência necessária, geralmente chamado de resistência de ponta a ponta, é determinado pelas considerações de projeto do circuito. Os fornecedores oferecem resistências entre 5 quilohms (kΩ) e 100 kΩ em uma sequência de 1/2/5 com alguns outros valores intermediários. Além disso, há unidades de faixa estendida que vão de 1 kΩ a 1 megaohm (MΩ).

• A resolução define quantas configurações discretas de passo ou derivação o digipot oferece, variando de 32 a 1024 passos para permitir que o projetista atenda às necessidades da aplicação. Lembre-se de que até mesmo um digipot de 256 passos (8 bits) de médio porte tem resolução maior do que um potenciômetro.

• A interface digital entre o microcontrolador e o digipot está disponível nos formatos seriais padrões SPI e I²C, com pinos de endereço para que vários dispositivos possam ser conectados por meio de um único barramento. O microcontrolador usa um esquema simples de codificação de dados para indicar o ajuste de resistência desejada. Um digipot minimalista, como o TPL0501 da Texas Instruments, digipot de 256 derivações com interface SPI, é uma boa opção quando a dissipação de potência e o tamanho são essenciais (Figura 4). Ele está disponível em invólucros SOT-23 de 8 pinos (1,50 mm × 1,50 mm) e UQFN de 8 pinos (1,63 mm × 2,90 mm) que economizam espaço.

Figura 4: Um digipot básico, como o TPL0501 da Texas Instruments, com uma interface SPI é um componente eficaz para aplicações com restrições de espaço e potência que não precisam de recursos adicionais. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Um exemplo de aplicação é seu uso em dispositivos médicos vestíveis de grau clínico, como oxímetros e adesivos de sensores, onde é combinado com o amplificador operacional OPA320 da TI (Figura 5). O par cria um divisor de tensão para controlar o ganho do amplificador que fornece a saída do conversor digital-analógico (DAC). A pergunta óbvia é: por que não usar simplesmente um DAC completo padrão? O motivo é que essa aplicação clínica exige uma saída analógica de precisão, do tipo rail-to-rail, com alta taxa de rejeição de modo comum (CMRR) e baixo ruído, para os quais o OPA320 é especificado em 114 decibéis (dB) e 7 nanovolts por raiz de hertz (nV/√Hz) a 10 quilohertz (kHz), respectivamente.

Figura 5: Um digipot pode ser combinado com um amplificador operacional de precisão, como o OPA320 da TI, para criar um DAC com desempenho superior do amplificador operacional de saída. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Além disso, há variações da interface do digipot que simplificam seu uso em aplicações como controles de volume operados pelo usuário. Duas outras opções são o pushbutton e a interface crescente/decrescente (U/D). Com a interface de pushbutton, o usuário pressiona um dos dois botões disponíveis: um para aumentar o valor de resistência e o outro para diminuir. Observe que não há processador envolvido nessa ação (Figura 6).

Figura 6: A interface de pushbutton permite uma conexão sem processador entre dois botões operados pelo usuário, levando ao aumento/diminuição direta do ajuste do digipot. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A interface U/D pode ser implementada com o mínimo de sobrecarga de software e é acionada por meio de um codificador rotativo simples ou pushbutton conectado a um processador e implementado usando um digipot, como o MCP4011 da Microchip Technology, um dispositivo básico de 64 passos (6 bits) que está disponível com valores de resistência de 2,1 kOhm, 5 kOhm, 10 kOhm e 50 kOhm (Figura 7).

Figura 7: Um digipot, como o MCP4011 da Microchip Technology, com uma linha de controle U/D acionada pela borda de sinal e pino de seleção do chip, requer recursos mínimos de E/S e de software do microcontrolador host. (Fonte da imagem: Microchip Technology, modificado)

Ele usa um único gatilho de borda de subida ou descida, além da seleção do chip para aumentar ou diminuir o incremento da resistência (Figura 8). Isso permite a implementação simples de um botão que se parece com um controle de volume tradicional, sem os problemas associados aos potenciômetros, mas com os benefícios dos digipots.

Figura 8: A interface U/D de um digipot suporta o incremento e o decremento do valor da resistência acionada pela borda do sinal, usando um gatilho de um codificador de baixa resolução. (Fonte da imagem: Microchip Technology)

A tolerância dos digipots pode ser um problema, pois normalmente está entre ±10 e ±20% do valor nominal, o que é aceitável em muitos casos de valores relativos ou de malha fechada. No entanto, pode ser um parâmetro crítico se o digipot estiver sendo casado com um resistor discreto externo ou com um sensor em uma aplicação de malha aberta. Por esse motivo, existem digipots padrões com tolerância muito mais rígida, tão baixa quanto ±1%. É claro que, como acontece com todos os CIs, o coeficiente de temperatura da resistência e o desvio associado relacionado à temperatura também podem ser um fator. Os fornecedores especificam esse número em sua ficha técnica para que os projetistas possam avaliar seu impacto por meio de modelos de circuitos como o Spice. Outras opções de tolerância justa estão disponíveis e são discutidas abaixo.

Embora não seja uma preocupação em aplicações estáticas, como calibração ou definição de ponto de polarização, a largura de banda e a distorção são problemas em aplicações de áudio e relacionadas. O caminho da resistência de um código específico, combinado com os efeitos parasitas da chave, as capacitâncias do pino e da placa, cria um filtro passa-baixa de resistor-capacitor (RC). Os valores mais baixos do resistor de ponta a ponta geram uma largura de banda maior, com larguras de banda de até cerca de 5 megahertz (MHz) para um digipot de 1 kΩ, e até 5 kHz para uma unidade de 1 MΩ.

Por outro lado, a distorção harmônica total (THD) deve-se predominantemente a não linearidades nas resistências em diferentes níveis de sinal aplicados. Digipots com maior resistência de ponta a ponta reduzem a contribuição da resistência interna da chave em relação à resistência total, resultando em menor THD. Assim, a largura de banda versus THD é um compromisso que os projetistas devem priorizar e ponderar ao escolher o valor nominal do digipot. Os valores típicos variam de -93 dB para um digipot de 20 kΩ e até -105 dB para unidades de 100 kΩ.

Variações duplas, quádruplas e lineares vs. logarítmicas do digipot

Além da capacidade de controle sem uso das mãos, os digipots oferecem simplicidade adicional, facilidade de incorporação do projeto e custo muito menor do que os potenciômetros. Entre seus outros recursos:

• Os digipots duplos são úteis quando duas resistências precisam ser ajustadas independentemente, mas são especialmente úteis quando precisam estar no mesmo valor. Embora dois CIs digipot separados possam ser usados, o dispositivo duplo acrescenta o benefício de acompanhar os valores de resistência, apesar da tolerância e do desvio; dispositivos quádruplos também estão disponíveis.

• Ajustes lineares versus logarítmicos (log): embora as aplicações de ajuste e calibração geralmente precisem de uma relação linear entre o código digital e a resistência resultante, muitas aplicações de áudio se beneficiam de uma relação logarítmica para se adequar melhor à escala de decibéis exigida em situações de áudio.

Para atender a essa necessidade, os projetistas podem usar digipots logarítmicos, como o DS1881E-050+ da Maxim Integrated Products. Esse dispositivo de canal duplo opera com uma única alimentação de 5 volts, tem uma resistência de 45 kΩ de ponta a ponta e apresenta uma interface I²C com pinos de endereço para permitir até oito dispositivos no barramento. O valor da resistência de cada um dos dois canais pode ser definido de forma independente e apresenta vários ajustes de configuração selecionável pelo usuário; a configuração básica tem 63 passos com atenuação de 1 dB por passo, de 0 dB a -62 dB, além de mudo (Figura 9).

Figura 9: O digipot de dois canais Maxim DS1881E-050+ foi projetado para caminhos de sinal de áudio, fornecendo um ajuste de ganho de 1 dB/passo em uma faixa de 63 dB. (Fonte da imagem: Maxim Integrated Products)

O DS1881E-050+ foi projetado para minimizar a diafonia, e os dois canais oferecem 0,5 dB de correspondência entre canais para minimizar qualquer diferença de volume entre eles. O dispositivo também implementa a comutação do resistor na passagem por zero para evitar cliques audíveis e inclui memória não volátil, cuja utilidade geral é discutida a seguir.

A tensão máxima que o digipot pode suportar também é um fator a ser considerado. Os digipots de baixa tensão estão disponíveis para operação com trilhas de até +2,5 volts (ou ±2,5 volts com uma fonte simétrica), enquanto os de tensão mais alta, como o MCP41HV31da Microchip Technology — um dispositivo de interface SPI de 50 kΩ, 128 derivações — podem funcionar com trilhas de até 36 volts (±18 volts).

A memória não volátil auxilia nas reinicializações de energia

Os digipots básicos têm muitas virtudes, mas têm um ponto fraco inevitável em comparação com os potenciômetros: eles perdem o ajuste depois que a energia é retirada, e a posição da reinicialização ao ligar (POR) é definida pelo projeto, geralmente numa faixa intermediária. Infelizmente, para muitas aplicações, essa configuração POR é inaceitável. Considere um ajuste de calibração: uma vez estabelecido, ele deve ser mantido até que seja deliberadamente modificado, apesar da retirada da alimentação da linha ou da substituição da bateria; além disso, em muitas aplicações, o ajuste "correto" foi o último a ser usado, quando a alimentação foi retirada.

Portanto, um dos motivos remanescentes para continuar com os potenciômetros era que eles não perdiam o ajuste ao serem energizados de novo, mas os digipots resolveram essa deficiência. Inicialmente, era prática comum de projeto fazer com que o processador do sistema lesse o ajuste do digipot durante a operação e, em seguida, recarregasse esse ajuste ao ser ligado. No entanto, isso criava falhas na inicialização e, muitas vezes, era inaceitável para a integridade e o desempenho do sistema.

Para resolver essa preocupação, os fornecedores adicionaram a tecnologia de memória não volátil (NVM) baseada em EEPROM aos digipots. Com o NVM, os digipots podem reter a última posição programada do cursor, quando a fonte de alimentação é desligada, enquanto que as versões programáveis de uso único (OTP) permitem que o projetista defina a posição do cursor durante a reinicialização ao ligar (POR) para um valor predefinido.

O NVM permite outros aprimoramentos. Por exemplo, o AD5141BCPZ10 da Analog Devices tem o erro de tolerância do resistor armazenado em sua memória EEPROM (Figura 10). O dispositivo é um potenciômetro digital não volátil de canal único, 128/256 posições, com re-escrita, compatível com as interfaces I²C e SPI. Usando os valores de tolerância armazenados, os projetistas podem calcular a resistência real de ponta a ponta com uma precisão de 0,01% para definir a relação dos segmentos do digipot "acima do cursor" e "abaixo do cursor". Essa precisão é cem vezes melhor do que a precisão de 1% dos digipots de maior precisão sem NVM.

Figura 10: O digipot AD5141BCPZ10 da Analog Devices incorpora uma memória não volátil com re-escrita (EEPROM) que pode ser usada para armazenar os ajustes desejados na reinicialização ao ligar, bem como fatores de calibração para seu próprio conjunto de resistores. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Esse modo de ajuste de ganho linear permite a programação independente da resistência entre os terminais do potenciômetro digital por meio dos resistores da cadeia R_AW e R_WB, possibilitando uma combinação de resistores altamente precisos (Figura 11). Essa precisão é frequentemente necessária para topologias de amplificadores inversores, por exemplo, em que o ganho é determinado pela relação de dois resistores.

Figura 11: O NVM em um digipot também pode ser usado para armazenar resistências calibradas acima e abaixo do cursor para circuitos que usam relações de resistência precisas para definir o ganho do amplificador. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Fique atento às idiossincrasias do digipot

Embora os digipots sejam amplamente usados para substituir os potenciômetros, quando o dispositivo tradicional é menos desejável ou impraticável, eles têm algumas características que os projetistas precisam levar em conta. Por exemplo, o cursor de metal de um potenciômetro entra em contato com o elemento resistivo com uma resistência de contato próxima de zero e geralmente tem um coeficiente de temperatura insignificante. No caso de um digipot, entretanto, o cursor é um elemento CMOS com uma resistência modesta, mas ainda significativa, da ordem de dezenas de ohms a 1 kΩ. Se 1 miliampere (mA) de corrente passar por um cursor de 1 kΩ, a queda resultante de 1 volts no cursor poderá limitar a faixa dinâmica do sinal de saída.

Além disso, essa resistência do cursor é uma função da tensão aplicada e da temperatura, portanto, introduz não linearidade e, portanto, distorção dos sinais CA no caminho do sinal. O coeficiente de temperatura típico do cursor de cerca de 300 partes por milhão por grau Celsius (ppm/⁰C) pode ser significativo e deve ser considerado no balanço de erros para projetos de alta precisão. Os modelos Digipot também são oferecidos com um coeficiente muito mais baixo.

Conclusão

O digipot é um CI ajustado digitalmente que substitui o potenciômetro eletromecânico clássico em muitas arquiteturas de sistemas e projetos de circuitos. Ele não apenas reduz o tamanho do produto e a probabilidade de erros devido a movimentos acidentais, mas também acrescenta a compatibilidade com processadores e, portanto, com o software, além de oferecer maior precisão e maior resolução (se necessário), além de outros recursos úteis.

Conforme mostrado, os digipots estão disponíveis em uma ampla gama de valores de resistência nominal, tamanhos de passo e precisões, enquanto que adicionar memória não volátil amplia sua capacidade e supera uma barreira importante para seu uso em muitas aplicações.

Leitura adicional

1. Os CIs respondem ao desafio de atenuar lâmpadas LED em circuitos acionados por TRIAC