D/A-Wandler versus Digitalpotenziometer Worauf es bei der Auswahl von DAC und DigiPot ankommt

Auf den ersten Blick sind sich D/A-Wandler und Digitalpotenziometer sehr ähnlich. Was sie gemeinsam haben, worin sie sich unterscheiden, welcher Bauteiletyp für welche Anwendung passt und für welche Problemlösung er nicht geeignet ist, beschreibt dieser Beitrag. Ziel ist es, bei der Bauelementeselektion die optimale Lösung zu finden.

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Wie beim elektromechanischen Potenziometer kann der Schleiferabgriff beim Digitalpotenziometer (DigiPot) zwischen den zwei Widersandsenden, HIGH - H und LOW - L, eingestellt werden. Das Einstellen erfolgt jedoch über eine digitale Schnittstelle (Bild 1).

Man kann die Schleiferposition digital einstellen, entweder direkt über einen Digitalwert D oder schrittweise über Aufwärts-/Abwärtspulse. Im Gegensatz zu elektromechanischen Potenziometern sind die Spannungen an den DigiPot-Anschlüssen enger eingeschränkt. Die Spannungen an den Widerstandsenden L und H müssen sich innerhalb der Versorgungsspannungen Vcc und Vss/Gnd bewegen. Die Schleiferspannung eines DigiPots mit n Einstellstufen wird durch Gleichung 1 beschrieben.

Der Ausgangwiderstand RA am Schleiferanschluss hängt stark von der Schleiferposition ab. Er setzt sich aus der Summe des Schleiferwiderstands und dem äquivalenten Kettenwiderstand zusammen. Schleifer haben einen schalterbedingten Eigenwiderstand Rs von einigen 100?Ω. Der Schleiferwiderstand kann bis zu 400 Ω reichen. Wenn die H- und L-Anschlüsse mit Quellenimpedanzen von 0 Ω getrieben werden, beschreibt Gleichung 2 den gesamten Ausgangswiderstand RA.

Da der Gesamtwiderstand des DigiPots RG typischerweise im Bereich 10 bis 100 kΩ liegt, spielt der Schleiferwiderstand nur an den Extrempositionen, D, eine Rolle und kann ansonsten vernachlässigt werden. Bild 2 zeigt den normalisierten Ausgangswiderstand abzüglich Rs.

Obwohl es D/A-Wandler mit Stromausgang gibt, haben die meisten DACs heute einen niederohmigen Spannungsausgang. Ein DigiPot, wie in Bild 1 beschaltet, fungiert als Spannungs-DAC. Die Ausgangsspannung eines DACs mit der Auflösung n ist proportional zum Produkt der Referenzspannung UREF und dem programmierten Digitalwert D (Gleichung 3).

Wie beim DigiPot ist die Ausgangsspannung proportional zum programmierten Digitalwert und der Referenzspannung UREF, respektive UH. D/A-Wandler werden als multiplizierend bezeichnet, wenn die Referenzspannung dynamisch verändert werden kann, eventuell sogar negativ sein darf. Man spricht von einem vier Quadrant multiplizierenden DAC, wenn D und UREF positive und negative Werte/Spannungen annehmen dürfen, und Gleichung 3 weiterhin erfüllt wird.

Damit würde bei negativen Werten für D und UREF trotzdem eine positive Ausgangsspannung UA erzeugt werden. Somit kann das UREF-Signal mit negativen D-Werten invertiert werden. Aufgrund der integrierten Verstärker ist die Ausgangsimpedanz eines Spannungs-DACs normalerweise klein.

Ähnlichkeiten zwischen D/A-Wandler und Digitalpotenziometer

DigiPots können als übergeordnete Menge betrachtet werden, da sie die gleiche Grundfunktion (plus Zusatzfunktionen) als DACs anbieten. Wenn der L-Anschluss eines DigiPots an Masse liegt, arbeitet der DigiPot wie ein Spannungs-DAC, allerdings mit hohem Ausgangswiderstand. Dann trifft für beide die gleiche Übertragungsfunktion zu. Somit kann ein DigiPot mit Ausgangspuffer auch als Spannungs-DAC benutzt werden, wie in Bild 1 dargestellt.

DigiPots und DACs gibt es auch in nicht flüchtiger Ausführung, bei denen der programmierte Digitalwert nicht verloren geht. Weil DigiPots und DACs oft zum Abgleich von analogen Parametern wie Offset und Gain eingesetzt werden, ist es in manchen Anwendungen günstig, dass die Einstellungen gespeichert werden, damit sie nach einem Stromausfall oder bei Wiederbetrieb erhalten bleiben.

DACs haben aber trotz fehlendem L-Anschluss auch Eigenschaften, die DigiPots Architektur bedingt nicht anbieten können.

Unterschiede zwischen DAC und DigiPot

Die Anzahl der Widerstandsabgriffe eines DigiPots ist Layout und Technologie bedingt begrenzt. Während DigiPots mit 1024 Abgriffen - also 10 Bit äquivalent - das obere Ende bilden, sind DACs mit 24 Bit und höherer Auflösung heute Stand der Technik.

DigiPots gibt es mit linear, aber auch mit logarithmisch verteilen Abgriffen. Logarithmische Potenziometer werden in der Audiotechnik eingesetzt, um das nicht lineare Verhältnis zwischen Spannung und empfundenem Schalldruck nachzubilden. Multiplizierende D/A-Wandler könnten hierzu auch verwendet werden, müssten aber eine höhere Auflösung besitzen und die nicht lineare Übertragungsfunktion digital implementieren. Da eine höhere Auflösung bei D/A-Wandlern mit höheren Kosten verbunden ist, werden meist logarithmische DigiPots bevorzugt.

Während DigiPots nur relativ langsame Signale verarbeiten, gibt es DACs, die sehr hohe Signalgeschwindigkeiten unterstützen und erzeugen können. Einige DACs werden als langsame Spannungsquellen benötigt, spezielle D/A-Wandler für HF-Anwendungen werden heute jedoch in den meisten Bereichen eingesetzt.

Geschwindigkeit wird in der D/A-Wandlung durch die drei Parameter Digital Update Rate, Output Settling Time und – bei DigiPots und multiplizierenden DACs – Bandbreite definiert. Für schnelle Anwendungen, wie Videosignal-Multiplizierer, sind hohe Bandbreiten erforderlich, während die direkte digitale Signalsynthese (DDS) hohe Update-Raten und kurze Settling-Zeiten erfordern. Die direkte digitale Synthese wird zum Beispiel in digitalen Signalgeneratoren oder in modernen HF-Sendern verwendet, für die DigiPots ungeeignet sind. Bei schnellen DDS-DACs werden die Digitalwerte parallel in den DAC übertragen, während digitale Potenziometer meist nur mit relativ langsamen seriellen Bussen verfügbar sind.

Die differenzielle Nichtlinearität, DNL, von DigiPots ist Architektur bedingt größer als –1, die von DACs kann, abhängig von der DAC-Güte, auch kleiner als –1 sein. Deshalb verhalten sich digitale Potenziometer immer monoton, D/A-Wandler nur dann, wenn deren DNL größer als –1 ist.

DigiPots lassen sich als variable Widerstände verwenden, wenn einer der Widerstandsenden mit dem Schleifer verbunden wird. Ein solcher digital einstellbarer Widerstand besitzt allerdings eine relativ hohe Ungenauigkeit, da der Gesamtwiderstand vom DigiPot einer herstellungsbedingten Toleranz von 20 bis 25% unterliegt. Spannungs-DACs können nicht als Widerstand eingesetzt werden. D/A-Wandler mit Stromausgängen lassen sich als variable Widerstände verwenden, allerdings mit der Einschränkung, dass der DAC-Ausgang auf virtueller Masse gehalten werden muss, zum Beispiel anhand eines invertierenden Eingangs eines Operationsverstärkers.

Anwendungsbedingte Anforderungen bestimmen die Bauteileauswahl

Die Ausgangsimpedanz von Spannungs-DACs ist klein und konstant, während sich der Ausgangswiderstand eines DigiPots stark mit dem Digitalwert ändert. Es muss mit einem minimalen Ausgangswiderstand von 100 Ω und einem Maximalwert von 50 kΩ bei einem 100-kΩ-DigiPot gerechnet werden.

Digitale Potenziometer sind meist in kleinen Gehäusen verfügbar, da sie entweder über serielle Schnittstellen oder mit Aufwärts-/Abwärtspulsen eingestellt werden und daher nur wenige Gehäuseanschlüsse benötigen. Langsame D/A-Wandler gibt es aus den gleichen Gründen in ähnlich kleinen Gehäusen. Schnelle DDS-DACs benötigen aufgrund des parallelen Datenbusses zur schnellen Datenübertragung größere Gehäuse.

Mehrfach-DACs und DigiPots in einem Gehäuse werden heute standardmäßig angeboten. Während sechs digitale Potenziometer in einem Gehäuse heute schon an der oberen Grenze des Machbaren liegen, ist bei D/A-Wandlern eine viel größere Dichte verfügbar. Aktuell sind 32 D/A-Wandler in einem Gehäuse Stand der Technik.

DigiPots sind i.A. wegen der geringeren Kosten günstiger als DACs. Die kleine Chipfläche und das kleines Gehäuse wirken sich direkt auf die Herstellkosten aus. Sie sind vor allem dann unentbehrlich, wenn Widerstandsteiler mit frei definierten H- und L-Potenzialen eingesetzt werden müssen. Ein Beispiel ist ein digital einstellbarer Differenzverstärker wie in Bild 3. Hier kann der Verstärkungsfaktor über die serielle Schnittstelle des Dual DigiPots DS1867 programmiert werden. Anhand von den im EEPROM speicherbaren Schleiferpositionen bleibt die Differenzverstärkung auch nach einem Stromverlust erhalten.

DigiPots und DACs weisen funktionell viele Ähnlichkeiten auf und kommen daher beide oft für eine Applikation in Frage. Im Einzelnen ergeben sich aber anwendungsbedingte Anforderungen, die nur der eine oder andere Typ erfüllen kann.

*Reinhardt Wagner ist Senior Field Application Engineer bei Maxim-Dallas in Planegg bei München.

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