Digital Spannung teilen

Moderne Mikrocontroller und FPGAs benötigen immer niedrigere Versorgungsspannungen. Mithilfe eines digitalen Potentiometers und eines Operationsverstärkers lassen sich kleine Versorgungsspannungen präzise einstellen.

Moderne Mikrocontroller und FPGAs benötigen immer niedrigere Versorgungsspannungen. Mithilfe eines digitalen Potentiometers und eines Operationsverstärkers lassen sich kleine Versorgungsspannungen präzise einstellen.

Die Spezifikationen der Versorgung von Mikrocontrollern und FPGAs werden zunehmend präziser, was sich in den Anpassungen der Versorgungsspannungen und den Spannungstoleranzen niederschlägt. So lässt sich die Versorgungsspannung beispielsweise durch mechanische Trimmpotentiometer beim Leitenplattentest oder durch eine einfache, kostengünstige Schaltung (Bild 1) einstellen.

Diese Schaltung ermöglicht ein Justieren der Spannung beim Test am Ende der Produktion oder auch im normalen Betrieb. Das nicht flüchtige, digitale Potentiometer (IC1) eignet sich als variabler Spannungsteiler. Es wurde wegen der hohen Auflösung (1024 Schritte) und des kleinen ratiometrischen Temperaturkoeffizienten (5 ppm/K) gewählt. Es gewährleistet eine sehr hohe Spannungsstabilität über die Temperatur.

Ein typisches Schaltnetzteil nutzt zwei Widerstände, um eine Rückkopplungsspannung (Feedback) erzeugen und auf eine konstante Ausgangsspannung regeln zu können. Die Ausgangsspannung lässt sich direkt einstellen, indem man die Festwiderstände durch einen einstellbaren Spannungsteiler ersetzt. Allerdings muss der Entwickler vor dem ersten Starten des Systems dann bereits einen Widerstandswert definiert haben, um Überspannungen am Ausgang zu vermeiden. Eine solche Schaltung sollte daher nicht verwendet werden.

In einer weiteren Implementierung ersetzt das digitale Potentiometer einen Widerstand in der Rückkopplungsschleife. Dieses Verfahren erzeugt aber größere Ungenauigkeiten, da digitale Potentiometer auf gute ratiometrische Eigenschaften optimiert sind und nicht auf absolute Genauigkeit. Der End-to-End-Widerstand hat einen Temperaturkoeffizienten, der siebenmal höher liegt als der ratiometrische Wert. Zudem hat der absolute Widerstandwert nur eine Genauigkeit von ±25%. Um einen genauen und temperaturstabilen Ausgangswert zu erhalten, eignet sich die Schaltung nach Bild 1. Der Schaltregler sollte einen Referenzspannungsausgang besitzen, denn so lassen sich Temperaturänderungen und Variationen der Eingangsspannung ausgleichen. Es ist zu überprüfen, ob der Referenzausgang des Reglers eine zusätzliche 50-kΩ-Last durch Einsatz des digitalen Potentiometers treiben kann.

Um eine einstellbare kleine Referenzspannung (Vadj) für die Rückkopplungswiderstände erzeugen zu können, puffert ein Operationsverstärker (OPV) den Mittelabgriff des Potentiometers. Der OPV hat eine hohe Bandbreite und arbeitet Rail-to- Rail. Folgende Gleichung errechnet die Ausgangsspannung (Vout) der Schaltung: Vout = Vfb + R2/R1 x (Vfb - Vadj) [1].

Sei Vfb = Vref = 1,25 V (wie im Bild dargestellt), R1 = 10,0 kΩ, und Vout = 5,0 V. Um einen großen Einstellbereich zu erreichen, errechnet sich R2 bei Mittenposition des digitalen Potentiometers demzufolge aus Vadj = 0,5 x Vref = 0,625 V. Auflösen von [1] nach R2 führt zu:

R2 = R1 x (Vout - Vfb)/(Vfb - Vadj) = 60,0 kΩ.

Der Ausgangsspannungsbereich und die Einstellgenauigkeit können bei minimalem Potentiometerwiderstand (Vadj = 0 V) errechnet werden. Aus [1] ergibt sich die maximale Ausgangsspannung zu Vout = 8,75 V. Steht das Potentiometer auf maximalem Widerstandwert (also Vadj = 1,25 V) folgt die Auflösung für Vout: (8,75 V - 1,25 V)/1024 Steps = 7,32 mV pro Schritt. Der Bereich lässt sich durch Variation von R2 verändern. Mithilfe der vorgestellten Schaltung lässt sich die Ausgangsspannung eines Spannungsreglers im Betrieb präzise einstellen.

Sie vermeidet auch die technischen Einschränkungen von digitalen Potentiometern, denn die Temperaturdrift ist gering und die Auflösung ist gut. Ralf Higgelke

Autoren:

Greg Sutterlin ist Senior Field Application Engineer und Christopher Sibley ist Applikationstechniker bei Maxim Integrated Products

Telefon 089/85 79 90
www.maxim-ic.com