Los fundamentos de los potenciómetros digitales y cómo utilizarlos

Los diseñadores llevan décadas utilizando los potenciómetros mecánicos en aplicaciones que van desde el recorte de circuitos hasta el control de volumen. Sin embargo, tienen sus limitaciones: sus limpiaparabrisas pueden desgastarse, son susceptibles de entrar en contacto con la humedad y pueden salirse accidentalmente de su posición. Además, a medida que el mundo se vuelve digital, los diseñadores necesitan una alternativa para satisfacer los requisitos de un control más preciso y una alta fiabilidad, junto con la flexibilidad para ajustar los valores de forma remota a través del firmware.

Los circuitos integrados de potenciómetros digitales -a menudo denominados digipots- resuelven estos problemas tendiendo un puente entre el dominio digital y el mundo de las resistencias analógicas. Como componente totalmente electrónico y compatible con microcontroladores, los digipots permiten que un procesador y un software controlen, establezcan y varíen su valor de resistencia o la relación del divisor de tensión.

Ofrecen características y funciones que los dispositivos mecánicos no pueden ofrecer y son más resistentes y fiables, ya que no tienen limpiaparabrisas móviles. No se pueden ajustar deliberadamente ni por descuido, lo que evita cambios inexplicables en el rendimiento. Las aplicaciones incluyen la estabilización térmica de los LED, la atenuación de los LED, el control de la ganancia en bucle cerrado, el ajuste del volumen de audio, la calibración y los ajustes de los puentes de Wheatstone para los sensores, el control de las fuentes de corriente y la sintonización de los filtros analógicos programables, por citar sólo algunas.

Este artículo ofrecerá una breve introducción a los potenciómetros y su evolución hacia los digipots. A continuación, utilizará componentes de Analog Devices, Maxim Integrated, Microchip Technology y Texas Instruments para explicar el funcionamiento de los digipots, las configuraciones básicas y avanzadas y cómo abordan los requisitos de ajuste de los circuitos. Se mostrará cómo sus funciones, características, capacidades y opciones pueden utilizarse para simplificar los circuitos, hacer que los circuitos sean compatibles con el procesador y reducir o incluso eliminar la necesidad de los voluminosos y poco fiables potenciómetros mecánicos.

Empezar con los fundamentos de los potenciómetros

El potenciómetro ha sido un componente de circuito pasivo esencial desde los primeros días de la electricidad y la electrónica. Es un dispositivo de tres terminales con un elemento de resistencia accesible, que proporciona una función de divisor de tensión a través de su rascador ajustable por el usuario en un eje giratorio. Se utiliza en innumerables circuitos analógicos y de señal mixta para satisfacer una amplia variedad de requisitos de aplicación (Figura 1).

Figura 1: El potenciómetro estándar es una resistencia variable ajustable por el usuario con un eje giratorio. (Fuente de la imagen: etechnog.com)

La resistencia observada por el circuito entre cualquiera de los contactos finales y el rascador ajustable varía desde cero ohmios (nominal) hasta el valor nominal completo de la resistencia del cable o de la película, a medida que el rascador gira y se desliza a lo largo del elemento resistivo. La mayoría de los potenciómetros tienen un rango de rotación de unos 270 a 300 grados, con una resolución mecánica y una repetibilidad típicas de alrededor del 0.5% y el 1% del valor a escala real (entre una parte en 200 y 100, respectivamente).

Tenga en cuenta que hay una ligera pero clara e importante diferencia entre un potenciómetro y su hermano menor, el reóstato. Un potenciómetro es un dispositivo de tres terminales que actúa como divisor de tensión (Figura 2, izquierda), mientras que el reóstato es una resistencia ajustable de dos terminales que controla el flujo de corriente. El potenciómetro se suele cablear para crear un reóstato, lo que se puede hacer de tres formas similares, dejando un terminal final sin conectar o conectado directamente al wiper (Figura 2, derecha).

Figura 2: El potenciómetro con los terminales A y B y el wiper W (izquierda) puede utilizarse fácilmente como reóstato con cualquiera de los tres enfoques de conexión (derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Digipots: Potenciómetros en forma de CI

El potenciómetro digital totalmente electrónico emula la funcionalidad del potenciómetro electromecánico, pero lo hace mediante un circuito integrado sin piezas móviles. Acepta un código digital en uno de varios formatos y establece un valor de resistencia correspondiente. Por ello, a veces se denomina convertidor digital-analógico resistivo (RDAC).

En un potenciómetro tradicional, una mano (o a veces incluso un pequeño motor) ajusta la posición de la escobilla y, por tanto, la relación del divisor de tensión. En un digipot, sin embargo, los controles de la computadora se conectan al CI del digipot a través de una interfaz digital y establecen un valor equivalente a la posición del limpiaparabrisas (Figura 3).

Figura 3: El CI digipot sustituye el ajuste manual de la aguja del potenciómetro por un interruptor electrónico de ajuste digital que emula una aguja mecánica. (Fuente de la imagen: Circuits101, modificado)

El digipot utiliza la tecnología estándar de los circuitos integrados CMOS y no requiere una fabricación o manipulación especial. El tamaño de un CI digipot de montaje superficial, normalmente de 3 x 3 milímetros (mm) o menos, es mucho menor que el de un potenciómetro ajustado con un pomo o incluso que el de un pequeño potenciómetro trimmer ajustado con un destornillador (trimpot) y se maneja como cualquier otro CI de tecnología de montaje superficial (SMT) con respecto a la producción de placas de circuito impreso.

En principio, la topología interna del digipot consiste en una simple cadena de resistencias en serie con conmutadores electrónicos direccionables digitalmente entre el limpiaparabrisas y estas resistencias. Mediante un comando digital, se enciende el interruptor apropiado mientras se apagan otros, estableciendo así la posición deseada del limpiaparabrisas. En la práctica, esta topología presenta algunos inconvenientes, como el gran número de resistencias e interruptores necesarios y el mayor tamaño de la matriz.

Para minimizar estos problemas, los proveedores han ideado ingeniosas disposiciones alternativas de resistencias e interruptores que reducen su número, pero producen el mismo efecto. Cada una de estas topologías da lugar a pequeñas diferencias en la forma de clasificar el digipot y sus características de segundo nivel, pero gran parte de esto es transparente para el usuario. En el resto de este artículo, utilizaremos el término potenciómetro para el dispositivo electromecánico y digipot para el totalmente electrónico.

Los Digipots ofrecen una gama de especificaciones y características

Como con cualquier componente, hay parámetros de primer orden y otros secundarios que hay que tener en cuenta a la hora de elegir un digipot. Las cuestiones más importantes son el valor de la resistencia nominal, la resolución y el tipo de interfaz digital, mientras que las consideraciones incluyen la tolerancia y las fuentes de error, el rango de tensión, el ancho de banda y la distorsión.

• El valor de la resistencia requerida, a menudo denominada resistencia de extremo a extremo, viene determinado por las consideraciones de diseño del circuito. Los proveedores ofrecen resistencias entre 5 kilohmios (kΩ) y 100 kΩ en una secuencia 1/2/5 con algunos otros valores intermedios. Además, hay unidades de rango extendido que llegan hasta 1 kΩ y hasta 1 megaohmio (MΩ).

• La resolución define el número de pasos discretos o ajustes de tomas que ofrece el digipot, que van de 32 a 1024 pasos para que el diseñador pueda adaptarse a las necesidades de la aplicación. Ten en cuenta que incluso un digipot de gama media de 256 pasos (8 bits) tiene mayor resolución que un potenciómetro.

• La interfaz digital entre el microcontrolador y el digipot está disponible en los formatos estándar SPI e I²C en serie, junto con los pines de dirección para poder conectar varios dispositivos a través de un único bus. El microcontrolador utiliza un sencillo esquema de codificación de datos para indicar el ajuste de resistencia deseado. Un digipot minimalista como el TPL0501 de Texas Instruments, un digipot de 256 tomas con interfaz SPI, es una buena opción cuando la disipación de energía y el tamaño son críticos (Figura 4). Está disponible en encapsulados SOT-23 de 8 pines (1.50 mm × 1.50 mm) y UQFN de 8 pines (1.63 mm × 2.90 mm) que ahorran espacio.

Figura 4: Un digipot básico como el TPL0501 de Texas Instruments con una interfaz SPI es un componente eficaz para aplicaciones con limitaciones de espacio y energía que no necesitan características adicionales. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Un ejemplo de aplicación es su uso en dispositivos médicos portátiles de grado clínico, como oxímetros y parches sensores, donde se combina con el amplificador óptico OPA320 de TI (Figura 5). La combinación crea un divisor de tensión para controlar la ganancia del amplificador que proporciona la salida del convertidor digital-analógico (DAC). La pregunta obvia es ¿por qué no utilizar simplemente un DAC completo estándar? La razón es que esta aplicación clínica requiere una salida analógica de precisión, de carril a carril, con una elevada relación de rechazo de modo común (CMRR) y un bajo nivel de ruido, para lo cual el OPA320 está especificado con 114 decibelios (dB) y 7 nanovoltios por hertzio raíz (nV/√Hz) a 10 kilohertzios (kHz), respectivamente.

Figura 5: Un digipot puede combinarse con un op-amp de precisión como el OPA320 de TI para crear un DAC con un rendimiento superior del op-amp de salida. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Además, existen variantes de interfaz de digipot que simplifican su uso en aplicaciones como los controles de volumen operados por el usuario. Otras dos opciones son el pulsador y la interfaz arriba/abajo (U/D). Con la interfaz de pulsadores, el usuario pulsa uno de los dos botones disponibles: uno para aumentar el recuento de la resistencia y el otro para disminuirlo. Obsérvese que en esta acción no interviene ningún procesador (Figura 6).

Figura 6: La interfaz de pulsadores permite una conexión sin procesador entre dos pulsadores accionados por el usuario, lo que permite aumentar/disminuir directamente el ajuste del digipot. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

La interfaz U/D puede implementarse con una sobrecarga mínima de software y se activa a través de un simple codificador rotatorio o pulsador conectado a un procesador, y se implementa utilizando un digipot como el MCP4011 de Microchip Technology, un dispositivo básico de 64 pasos (6 bits) que está disponible con valores de resistencia de 2.1 kW, 5 kW, 10 kW y 50 kW (Figura 7).

Figura 7: Un digipot como el MCP4011 de Microchip Technology con una línea de control U/D accionada por flancos y una selección de chip requiere un mínimo de recursos de E/S y de software del microcontrolador anfitrión. (Fuente de la imagen: Microchip Technology, modificado)

Utiliza un único disparo de flanco alto o bajo, además de una selección de chip para aumentar o disminuir el incremento de la resistencia (Figura 8). Esto permite una implementación sencilla de un mando que tiene el aspecto y la sensación de un control de volumen tradicional, sin los problemas asociados a los potenciómetros, pero con las ventajas de los digipots.

Figura 8: La interfaz U/D de un digipot admite el incremento y el decremento del valor de la resistencia activados por flancos mediante el disparo de un codificador de baja resolución. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

La tolerancia de los digipots puede ser un problema, ya que suele estar entre el ±10 y el ±20% del valor nominal, lo que es aceptable en muchos casos ratiométricos o de bucle cerrado. Sin embargo, puede ser un parámetro crítico si el digipot se adapta a una resistencia discreta externa o a un sensor en una aplicación de bucle abierto. Por esta razón, existen digipots estándar con una tolerancia mucho más ajustada, de hasta ±1%. Por supuesto, como ocurre con todos los circuitos integrados, el coeficiente de temperatura de la resistencia y la deriva asociada a la temperatura también pueden ser un factor. Los proveedores especifican este número en su hoja de datos para que los diseñadores puedan evaluar su impacto a través de modelos de circuitos como Spice. Existen otras opciones de tolerancia ajustada que se comentan a continuación.

Aunque no es una preocupación en aplicaciones estáticas como la calibración o el ajuste del punto de polarización, el ancho de banda y la distorsión son problemas en aplicaciones de audio y otras relacionadas. La ruta de resistencia de un código particular, combinada con la parásita del interruptor, el pin y las capacitancias de la placa, crea un filtro de paso bajo de resistencia-capacitor (RC). Los valores más bajos de las resistencias de extremo a extremo producen un mayor ancho de banda, con anchos de banda de hasta unos 5 megahercios (MHz) para un digipot de 1 kΩ, hasta 5 kHz para una unidad de 1 MΩ.

En cambio, la distorsión armónica total (THD) se debe en gran medida a las no linealidades de las resistencias a diferentes niveles de señal aplicados. Los digipots con mayor resistencia de extremo a extremo reducen la contribución de la resistencia interna del interruptor frente a la resistencia total, lo que da lugar a una menor THD. Por lo tanto, el ancho de banda frente a la THD es un compromiso que los diseñadores deben priorizar y sopesar a la hora de elegir el valor nominal del digipot. Los valores típicos van desde -93 dB para un digipot de 20 kΩ, hasta -105 dB para unidades de 100 kΩ.

Variaciones de digipotes dobles, cuádruples y lineales frente a logarítmicos

Además de su capacidad de control "sin intervención", los digipots ofrecen una mayor simplicidad, facilidad de diseño y un coste mucho menor que los potenciómetros. Entre sus otras capacidades:

• Los digipots dobles son útiles cuando hay que ajustar dos resistencias de forma independiente, pero son especialmente útiles cuando deben tener el mismo valor. Aunque se podrían utilizar dos circuitos integrados digipot separados, el dispositivo doble añade la ventaja de seguir los valores de resistencia a pesar de la tolerancia y la deriva; también hay disponibles dispositivos cuádruples.

• Ajustes lineales frente a logarítmicos (log): mientras que las aplicaciones de recorte y calibración suelen necesitar una relación lineal entre el código digital y la resistencia resultante, muchas aplicaciones de audio se benefician de una relación logarítmica para ajustarse mejor a la escala de decibelios requerida en situaciones de audio.

Para satisfacer esta necesidad, los diseñadores pueden utilizar digipots logarítmicos como el DS1881E-050+ de Maxim Integrated Products. Este dispositivo de doble canal funciona con una sola alimentación de 5 voltios, tiene una resistencia de 45 kΩ de extremo a extremo y cuenta con una interfaz I²C con pines de dirección para permitir hasta ocho dispositivos en el bus. El valor de la resistencia de cada uno de los dos canales puede ajustarse de forma independiente, y cuenta con varios ajustes de configuración seleccionables por el usuario; la configuración básica tiene 63 pasos con una atenuación de 1 dB por paso, de 0 dB a -62 dB, más el silencio (Figura 9).

Figura 9: El digipot de doble canal DS1881E-050+ de Maxim está diseñado para rutas de señal de audio, proporcionando un ajuste de ganancia de 1 dB/paso en un rango de 63 dB. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated Products)

El DS1881E-050+ está diseñado para minimizar la diafonía, y los dos canales ofrecen una adaptación de 0.5 dB de canal a canal para minimizar cualquier diferencia de volumen entre ellos. El dispositivo también implementa la conmutación de la resistencia de paso por cero para evitar chasquidos audibles e incluye una memoria no volátil, cuya utilidad general se discute más adelante.

También hay que tener en cuenta la tensión máxima que puede soportar el digipot. Existen digipots de bajo voltaje para funcionar con raíles de hasta +2.5 voltios (o ±2.5 voltios con una alimentación bipolar), mientras que los de mayor voltaje, como el MCP41HV31de Microchip Technology -un dispositivo de interfaz SPI de 50 kΩ y 128 tomas- pueden funcionar con raíles de hasta 36 voltios (±18 voltios).

La memoria no volátil ayuda a los reinicios de energía

Los digipots básicos tienen muchas virtudes, pero tienen una debilidad ineludible en comparación con los potenciómetros: pierden su ajuste después de desconectar la alimentación, y su posición de reinicio de la alimentación (POR) está fijada por su diseño, normalmente en el rango medio. Lamentablemente, para muchas aplicaciones, ese ajuste de POR es inaceptable. Considere un ajuste de calibración: una vez establecido, debe mantenerse hasta que se ajuste deliberadamente, a pesar de la eliminación de la alimentación de la línea o el cambio de la batería; además, en muchas aplicaciones, el ajuste "correcto" fue el que se utilizó por última vez cuando se eliminó la alimentación.

Por lo tanto, una de las razones que me quedaban para quedarme con los potenciómetros era que no perdían su ajuste al reiniciar la alimentación, pero los digipots han solucionado esta carencia. Inicialmente era una práctica de diseño común hacer que el procesador del sistema leyera la configuración del digipot durante el funcionamiento, y luego recargar esa configuración en el encendido. Sin embargo, esto creaba fallos de encendido y a menudo era inaceptable para la integridad y el rendimiento del sistema.

Para solucionar este problema, los proveedores añadieron la tecnología de memoria no volátil (NVM) basada en EEPROM a los digipots. Con la NVM, los digipots pueden conservar la última posición programada del limpiaparabrisas cuando se desconecta la fuente de alimentación, mientras que las versiones de programación única (OTP) permiten al diseñador establecer la posición de reinicio de la alimentación (POR) del limpiaparabrisas en un valor predefinido.

La NVM permite otras mejoras. Por ejemplo, el AD5141BCPZ10 de Analog Devices tiene su error de tolerancia de resistencia almacenado en su memoria EEPROM (Figura 10). El dispositivo es un potenciómetro digital no volátil de un solo canal, de 128/256 posiciones, que admite interfaces I²C y SPI. Utilizando los valores de tolerancia almacenados, los diseñadores pueden calcular la resistencia real de extremo a extremo con una precisión del 0.01% para definir la relación de los segmentos digipot "por encima del limpiaparabrisas" y "por debajo del limpiaparabrisas". Esta precisión es cien veces mejor que la precisión del 1% de los digipots de mayor precisión sin NVM.

Figura 10: El digipot AD5141BCPZ10 de Analog Devices incorpora una memoria no volátil reescribible (EEPROM) que puede utilizarse para almacenar los ajustes de reinicio de potencia deseados, así como los factores de calibración para su propia matriz de resistencias. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Este modo de ajuste de ganancia lineal permite programar de forma independiente la resistencia entre los terminales del potenciómetro digital a través de las resistencias de cadena R_AW y R_WB, lo que permite una adaptación de resistencias muy precisa (Figura 11). Esta precisión suele ser necesaria para topologías de amplificadores inversores, por ejemplo, en los que la ganancia viene determinada por la relación de dos resistencias.

Figura 11: La NVM de un digipot también puede utilizarse para almacenar resistencias calibradas por encima y por debajo del rascador para circuitos que utilizan relaciones de resistencia precisas para ajustar la ganancia del amplificador. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Esté atento a la idiosincrasia de los digipotes.

Aunque los digipots se utilizan mucho para sustituir a los potenciómetros cuando el dispositivo tradicional es menos conveniente o poco práctico, tienen algunas características que los diseñadores deben tener en cuenta. Por ejemplo, la varilla metálica de un potenciómetro entra en contacto con el elemento resistivo con una resistencia de contacto casi nula y suele tener un coeficiente de temperatura despreciable. En el caso de un digipot, sin embargo, el wiper es un elemento CMOS con una resistencia modesta, pero aún significativa, del orden de decenas de ohmios a 1 kΩ. Si 1 miliamperio (mA) de corriente pasa por un rascador de 1 kΩ, la caída resultante de 1 voltio a través del rascador puede limitar el rango dinámico de la señal de salida.

Además, esta resistencia de los limpiaparabrisas es una función tanto de la tensión aplicada como de la temperatura, por lo que introduce una no linealidad y, por lo tanto, una distorsión de las señales de CA en la trayectoria de la señal. El coeficiente de temperatura típico de los rascadores, de unas 300 partes por millón por grado Celsius (ppm/⁰C), puede ser significativo y debe tenerse en cuenta en el presupuesto de errores para los diseños de alta precisión. Los modelos Digipot también se ofrecen con un coeficiente mucho menor.

Conclusión:

El digipot es un CI de ajuste digital que sustituye al clásico potenciómetro electromecánico en muchas arquitecturas de sistemas y diseños de circuitos. No solo reduce el tamaño del producto y la probabilidad de que se produzcan errores debido a un movimiento accidental, sino que también añade compatibilidad con los procesadores y, por tanto, con el software, al tiempo que ofrece una mayor precisión y una mayor resolución (si es necesario), junto con otras características útiles.

Como se ha demostrado, los digipots están disponibles en una amplia gama de valores de resistencia nominal, tamaños de paso y precisiones, mientras que la adición de memoria no volátil amplía su capacidad y supera una importante barrera para su uso en muchas aplicaciones.

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