Präzisionspotentiometer Digital (fast) ohne Grenzen

Nach dem Erscheinen der ersten Digitalpotentiometer hat sich dieses Bauteil innerhalb weniger Jahre am Markt fest etabliert und wurde von einer großen Zahl führender Halbleiterhersteller in ihr Produktportfolio integriert. Die Vorzüge gegenüber elektromechanischen Trimmwiderständen sprechen für sich, doch existieren einige Einschränkungen. Eine neuartige Schaltung kann diese verringern.

Die Hauptgründe für die explosionsartige Verbreitung des Digitalpotentiometers und die damit verbundene Verdrängung der elektromechanischen Potentiometer und Trimmwiderstände sind die Überlegenheit hinsichtlich der gezielten Einstellung eines Wertes, die Automatisierbarkeit durch die Möglichkeit der Fernbedienung durch Taster und Mikrocontroller, die Immunität gegenüber Vibrationen sowie die Langzeitstabilität, da Verschleiß und Oxidation des Schleifers wegfallen.
Neben diesen Vorteilen sind Digitalpotentiometer aber per Prinzip bestimmten Einschränkungen unterworfen, die sie von der einen oder anderen Applikation ausschließen. Die wesentlichen sind:

  • begrenzte Auflösung im Vergleich zu Präzisionspotentiometern,
  • geringe absolute Genauigkeit des Widerstands, 
  • eingeengter Widerstandsbereich und 
  • begrenzte Spannungsfestigkeit. 

Die im Folgenden vorgestellte Schaltung kann die Grenzen von allen vier genannten Einschränkungen weit verschieben. Tabelle 1 zeigt die Optimierungsmöglichkeiten der ersten drei Punkte, um die es im Folgenden auch im Wesentlichen geht.

Größe Konventionelles Digitalpotentiometer Neue Schaltungsidee 
Auflösung 8 Bit 16 Bit 
Toleranz des Nennwiderstands R20 %<0,5 %
Minimaler Nennwiderstand10 kΩ<100 Ω
 möglich
Maximaler Nennwiderstand 100 kΩ
 
>1 MΩ
möglich 
Tabelle 1. Vergleich zwischen konventionellen Digitalpotentiometern und der hier vorgestellten Schaltungsidee

Einschränkungen im Detail

Von wenigen Ausnahmen mit 1024 Stufen abgesehen, beträgt die Auflösung von Digitalpotentiometern maximal 8 Bit, was 256 Stufen entspricht. Mit diesem Wert können sie zwar mit ihren elektromechanischen Pendants konkurrieren, aber einem Präzisionspotentiometer mit zehn oder gar 25 Gängen können sie nicht das Wasser reichen. Der Grund für die begrenzte Auflösung von Digitalpotentiometern ist in der internen Struktur zu suchen. Digitalpotentiometer sind aus dem sogenannten String-DAC abgeleitet.

Bild 1 zeigt die Struktur. Bei einem n-stufigen Potentiometer bilden n-1 identische, in Reihe geschaltete Widerstände einen Spannungsteiler, der die zwischen den Klemmen A und B anliegende Spannung in n-1 gleich große Teile unterteilt. Mithilfe eines Decoders wird ein Abgriff zwischen zwei Widerständen selektiert und an den Schleifer W durchgeschaltet.
Um basierend auf diesem Konzept die Auflösung auf 16 Bit entsprechen 65 536 Stufen zu erhöhen, sind 65 535 gleiche Widerstände und 65 536 Analogschalter mit dem dazugehörigen Decoder nötig. Diese Zahlen machen klar, dass die drastische Erhöhung der Auflösung nach einer anderen Struktur verlangt.
Die absolute Genauigkeit spielt eine zentrale Rolle, wenn ein Potentiometer nicht als variabler Spannungsteiler, sondern als einstellbarer Widerstand eingesetzt werden soll. Elektromechanische Potentiometer können selten Toleranzen von unter 10% aufweisen. Digital-potentiometer schneiden hier in der Regel noch etwas schlechter ab. Zwar ist es einfach, Widerstände auf einem Chip so herzustellen, dass sie sich nur um einen Bruchteil eines Prozentes unterscheiden, jedoch ist es schwierig und unrentabel, den absoluten Widerstandswert mit einer Toleranz von weniger als 20% zu fertigen. Durch Verwendung von Präzisionswiderständen (Toleranz 0,1%) und Operationsverstärkern mit extrem niedriger Offsetspannung (beispielsweise Zero-Drift-Verstärker) lassen sich mit der hier vorgestellten Schaltung Nennwiderstände mit einer Toleranz von unter 0,5% realisieren.
Der Widerstandsnennwert von Digitalpotentiometern liegt üblicherweise zwischen 10 kΩ und 100 kΩ. Außerhalb dieses Bereichs gibt es kaum Bausteine, unterhalb von 1 kΩ praktische gar keine. Die neue Schaltungsidee ermöglicht dagegen auch Widerstände von 100 Ω oder darunter.
Bei dem Problem der begrenzten Spannungsfestigkeit kommt es hauptsächlich auf die Auswahl der verwendeten Bauelemente an. Bei einem Digitalpotentiometer muss die Spannung an jedem der drei Anschlüsse innerhalb des durch die Versorgungsspannung gesteckten Bereichs liegen. Üblicherweise ist damit eine Spannung auf einen Wert von maximal 5 V begrenzt. Bei der hier vorgestellten Schaltung wird die Spannungsfestigkeit durch die Versorgungsspannung der Operationsverstärker und die Spannungsfestigkeit der Feldeffekt-Transistoren bestimmt. Kommen Operationsverstärker mit besonders hoher zulässiger Versorgungsspannung zum Einsatz, lässt sich leicht eine maximale Spannung von beispielsweise 30 V an Anschluss A realisieren.

Ein ganz anderer Ansatz 

Die hier vorgestellte Schaltung basiert auf der in Bild 2 gezeigten spannungsgesteuerten Präzisionsstromquelle, bei der die Steuerspannung USt auf den Referenzwiderstand RS abgebildet wird.

Der Quotient aus beiden Größen ergibt den Strom I, der durch die Last fließt.
Anstelle einer externen Steuerspannung wird jedoch, wie in Bild 3 gezeigt, der Spannungsabfall über der Stromquelle selbst verwendet und der Spannungs-abfall über dem Referenzwiderstand mit der Konstanten k (k > 1) multipliziert.
Zwischen den Klemmen A und B ergibt sich somit der Widerstand RAB nach Gleichung (1).


(1) R subscript A B end subscript space equal space U subscript A B end subscript over I space equal space fraction numerator k space times space I space times space R subscript S over denominator I end fraction space equal space k space times space R subscript S

In der Ausführung gemäß Bild 4 verhält sich die Schaltung zwischen den Klemmen A und B wie ein Präzisionswiderstand, dessen Wert sich durch den D/A-Wandler mit hoher Auflösung verstellen lässt. Hierfür ist der Referenzwiderstand Teil eines invertierenden Verstärkers, dessen Ausgangsspannung als Referenz für einen multiplizierenden D/A-Wandler dient und von diesem variabel heruntergeteilt wird. 
Es gilt Uref = -I∙k∙Rs. Die Ausgangsspannung des D/A-Wandlers mit einer Auflösung von n Bit zeigt Gleichung (2), wobei X das digitale Eingangswort des D/A-Wandlers ist, das zwischen 0 und 2n-1 liegt.
(2) U subscript D A C end subscript space equal space minus U subscript r e f end subscript space times space X over 2 to the power of n
Der Verstärker V2B regelt mithilfe des NMOS-Transistors T1 die Spannung zwischen den beiden Anschlüssen A und B auf den Wert UDAC. Der Widerstand RAB zwischen den Klemmen A und B ergibt sich gemäß des ohmschen Gesetzes als Quotient der Spannung UAB und dem Strom I zu Gleichung (3).
(3) R subscript A B end subscript space equal space U subscript A B end subscript over I space equal space U subscript r e f end subscript over I space times space X over 2 to the power of n space equal space k space times space R subscript S space times space X over 2 to the power of n
Der Bereich zwischen 0 und dem maximalen Widerstand von k∙RS wird so in 2n Teile geteilt. Da der Widerstand zwischen den Klemmen A und B jedoch immer größer als RS zuzüglich des RDS(on) von T1 bleiben muss, lässt sich der Widerstand RAB nicht bis auf 0 Ω reduzieren.

Variables Präzisionspotentiometer

Wird anstelle eines variabel einstellbaren Widerstandes ein echtes Potentiometer benötigt, so lässt sich die in Bild 4 gezeigte Schaltung mit geringem Aufwand zu dem in Bild 5 gezeigten System erweitern. Hierbei ergibt sich zwischen den Klemmen A und B der feste Widerstand RAB = k2∙RS. Ist der Faktor k2 geringfügig größer als k1, so kann das Potentiometer mit dem DAC linear bis zu seinem Maximalwert verstellt werden. Um eine Auflösung von beispielsweise 16 Bit nutzen zu können, müssen alle verstärkungsbestimmenden Widerstände eine entsprechende Präzision aufweisen. Außerdem ist darauf zu achten, dass die Offset-Spannung der Operationsverstärker ausreichend klein ist. Hier eignen sich vor allem sogenannte Zero-Drift-Verstärker.
Neben den genannten Vorteilen gegenüber konventionellen Digitalpotentiometern weist die vorgestellte Schaltung zwei Einschränkungen auf, die es zu beachten gilt. So ist kein reiner AC-Betrieb möglich, da das Potenzial an Anschluss A nicht negativ gegenüber Anschluss B werden darf. Unter Umständen ist also eine DC-Vorspannung nötig. Außerdem lässt sich der hier vorgestellte verstellbare Präzisionswiderstand nicht bis auf den Wert 0 verstellen. Bei dem Präzisionspotentiometer muss der Schleifer von beiden Extremstellungen 0 und 100% geringfügig entfernt bleiben.

Über den Autor:

Prof. Dr. M. Junker leitet den Fachbereich Prozessmesstechnik des Instituts für Leistungselektronik und Antriebstechnik der Fakultät für Elektrotechnik an der Hochschule Mannheim.