デジタルポテンショメータの基礎知識と使用方法
著者 Bill Schweber 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 の提供
2021-05-19
マルツ掲載日：2021-09-13
機械式ポテンショメータは、数十年にわたって回路のトリミングからボリュームコントロールまでに至る用途に使用されてきました。しかし、ワイパーの摩耗、湿気の侵入、設定位置からのズレなど、限界も存在しています。さらに、世界がデジタル化していく中で、リモートからファームウェアで値を調整できる柔軟性に加えて、より正確な制御と高い信頼性という要件を満たすための代替手段が必要とされています。
これらの問題を解決するために、デジタル領域とアナログ抵抗器の世界を橋渡しするのが、デジタルポテンショメータIC(別称digipot)です。digipotは、マイクロコントローラと互換性のある電子部品で、抵抗値や分圧比をプロセッサやソフトウェアで制御・設定・変更することができます。
機械式デバイスでは実現できない特長や機能を持ち、可動式のワイパーを持たないため、堅牢性や信頼性に優れています。性能が変化した場合の理由が不明にならないよう、不用意に調整することはできません。
用途としては、LEDの熱安定化、LEDの調光、クローズドループのゲイン制御、オーディオのボリュームコントロール、較正、センサ用のホイートストンブリッジのトリム、電流源の制御、プログラマブルアナログフィルタの調整などが挙げられます。
この記事では、ポテンショメータとそのdigipotへの進化について簡単に紹介します。次いで、Analog Devices、Maxim Integrated、Microchip Technology、Texas Instrumentsのコンポーネントを使用して、digipotの動作、基本構成と高度な構成、およびそれらのコンポーネントが回路の調整要件にどのように対応するかについて説明します。
これらのコンポーネントの機能、特長、性能、オプションを活用することで、回路を簡素化したりプロセッサ互換にしたりする方法や、大型で信頼性の低い機械式ポテンショメータの必要性を削減する方法や、さらには無くす方法を紹介します。
ポテンショメータの基礎から学びましょう
ポテンショメータは、電気学や電子工学の黎明期から必要不可欠な受動回路コンポーネントでした。手が届く抵抗素子を搭載した3端子デバイスであり、回転軸に取り付けられたユーザー設定可能なワイパーによって分圧機能を実現しています。様々な用途の要件を満たすために、無数のアナログ回路や混合信号回路で使用されています(図1)。
図1：標準的なポテンショメータは回転軸を持つ、ユーザー設定可能な可変抵抗器である(画像提供：etechnog.com)
どちらかの端のコンタクトと調整可能なワイパーの間にある回路の抵抗は、ワイパーが抵抗素子に沿ってスライドしたり回転したりすることで、0Ω(公称)から、フィルム抵抗またはワイヤの定格の上限まで変化します。
ほとんどのポテンショメータの回転範囲は約270〜300°で、一般的な機械的分解能と機械的再現性はともに全目盛値の約0.5%と1%(つまり、200分の1と100分の1)の間です。
ポテンショメータとその弟分である加減抵抗器には、わずかながらも明確で重要な違いがあることに注目してください。ポテンショメータが分圧器として機能する3端子のデバイス(図2、左)であるのに対し、加減抵抗器は電流フローを制御する、2端子の調整可能な抵抗です。
ポテンショメータはしばしば加減抵抗器になるように配線されます。この配線を行うには、端部端子を補正しないままにしたり、ワイパーに直接接続したりするなど、3つの似たような方法のいずれかを使用します(図2、右)。
図2：端部端子A、BとワイパーWを備えたポテンショメータ(左)は、3つの接続方法(右)のいずれかで簡単に加減抵抗器として使用できるようになる。(画像提供：Analog Devices)
digipot：IC化されたポテンショメータ
完全電子式デジタルポテンショメータは、可動部のないICを使用して、電気機械式ポテンショメータの機能をエミュレートします。数種類のフォーマットのいずれかになっているデジタルコードを受け取り、それに対応する抵抗値を設定します。このため、抵抗性デジタル/アナログコンバータ(RDAC)と呼ばれることもあります。
従来のポテンショメータでは、手(場合によっては小型モータ)でワイパーの位置を設定し、それによって分圧比を設定していました。しかし、digipotでは、コンピュータ制御システムがデジタルインターフェースでdigipot ICに接続し、ワイパーの位置に対応する値を設定します(図3)。
図3：digipot ICは、ポテンショメータのワイパーを手動で設定するのでなく、機械的なワイパーをエミュレートした電子スイッチをデジタルで設定する。(画像提供：Circuits101。一部修正あり)
このdigipotは、標準的なCMOS IC技術を使用しており、特別な加工や処理を必要としません。表面実装型digipot ICのサイズは通常、3×3mm以下なので、ノブで調整するポテンショメータや、ドライバで調整する小型のトリマポテンショメータ(Trimpot®)よりもはるかに小さく、プリント基板製造の際には他の表面実装型(SMT)ICと同様に取り扱われます。
digipotの内部トポロジは原理的には抵抗の単純な直列ストリングです。ワイパーとこれらの抵抗の間には、デジタル命令でアドレス指定可能な電子スイッチが配置されています。デジタル命令を使用して、該当するスイッチをオンにして他のスイッチをオフにすることで、目的のワイパー位置を設定することができます。実際には、このトポロジは、多くの抵抗やスイッチが必要となり、ダイサイズが大きくなるという欠点があります。
この問題を抑えるため、ベンダーでは抵抗やスイッチの配置を工夫し、抵抗やスイッチの数を減らしても同じ効果が得られるようにしています。これらのトポロジはそれぞれ、digipotの配置方法やdigipotの二番手の特性が多少異なりますが、それらの特性の多くはユーザーからは見えません。
この記事の残りの部分では、電気機械式のデバイスにはポテンショメータという用語を使用し、完全電子式のデバイスにはdigipotという用語を使用します。
digipotが提供する仕様・特長の数々
他のコンポーネントと同様に、digipotを選択する際に考慮すべき項目には、重要なものと二番手のものがあります。真っ先に考慮すべき重要な項目としては、公称抵抗値、分解能、デジタルインターフェースの種類などがあります。その後で考慮すべき項目としては、許容誤差や誤差の原因、電圧範囲、帯域幅、歪みなどがあります。
• 必要な抵抗値(通称「エンドツーエンド抵抗」)は、回路の設計上の考慮事項によって決定されます。ベンダーは、5kΩから100kΩまでの抵抗値を、1/2/5の順序で提供していますが、これらの中間値も他にあります。また、低い1kΩから高い1MΩまでの幅広いレンジのユニットもあります。
• 分解能とは、digipotのステップ数、つまりタップ数を設定するものです。ステップ数は、設計者がアプリケーションのニーズに合わせて32～1024の範囲で設定できます。ミッドレンジの256ステップ(8ビット)のdigipotでも、ポテンショメータよりも分解能が高いことに注目してください。
• マイクロコントローラとdigipot間のデジタルインターフェースには、標準的なシリアルSPIやI2Cフォーマットに加え、アドレスピンも用意されているため、シングルバスで複数のデバイスを接続することができます。マイクロコントローラでは、シンプルなデータエンコーディング方式を使用して、希望する抵抗設定値を指定することができます。消費電力とサイズが重要な場合は、Texas InstrumentsのTPL0501(SPIインターフェース付き256タップdigipot。図4)のようなミニマムなdigipotが適しています。パッケージは、省スペースの8ピンSOT-23(1.50mm×1.50mm)と8ピンUQFN(1.63mm×2.90mm)が用意されています。
図4：SPIインターフェースを備えたTexas Instruments製TPL0501などのベーシックなdigipotは、スペースや電源に制約があるため追加機能を必要としないアプリケーションに有効なコンポーネントである。(画像提供：Texas Instruments)
応用例としては、TIのオペアンプOPA320と組み合わせて、オキシメータやセンサパッチなどの医療グレードのウェアラブル医療機器に使用されています(図5)。この組み合わせは、デジタルアナログコンバータ(DAC)の出力を提供するアンプのゲインを制御する分圧器の役目を果たします。
ここで湧く疑問は、なぜ完成している標準的なDACを使用しないのかということでしょう。その理由は、この医療用途には、高いコモンモード除去比(CMRR)と低ノイズを備えた高精度なレールツーレールのアナログ出力が必要となるのですが、OPA320の仕様はコモンモード除去比(CMRR)が10kHzあたり7nV /√Hz、ノイズレベルが114デシベル(dB)で規定されているためです。
図5：digipotは、TIのOPA320などの高精度オペアンプと組み合わせることで、出力オペアンプの性能に優れたDACを実現することができる。(画像提供：Texas Instruments)
また、ユーザーが操作するボリュームコントロールなどの用途に使いやすいdigipotインターフェースのバリエーションもあります。インターフェースのバリエーションにはこの他にも2つ、押ボタンとアップ/ダウン(U/D)インターフェースがあります。
押ボタンのインターフェースでは、押せる2つのボタンのうち、[アップ]を押すと抵抗値がインクリメントし、[ダウン]を押すと抵抗値がデクリメントする仕組みになっています。なお、この動作にはプロセッサは関与していません(図6)。
図6：押ボタンインターフェースでは、ユーザーが操作する2つの押ボタンをプロセッサを介さずに接続することができ、digipotの設定値を直接インクリメント/デクリメントすることができる。(画像提供：Analog Devices)
U/Dインターフェースは、プロセッサに接続されたシンプルなロータリーエンコーダや押ボタンを介してトリガされます。抵抗値が2.1kW、5kW、10kW、50kWのものが用意されている基本的な64ステップ(6ビット)デバイスであるMicrochip Technology製MCP4011などのdigipotを使って、ソフトウェアのオーバーヘッドを最小限に抑えて実装することができます(図7)。
図7：Microchip Technology製MCP4011などのdigipotは、エッジ駆動のU/D制御ラインとチップセレクトを備えているため、ホストマイクロコントローラに対して要求するI/Oとソフトウェアリソースは最小限で済む。(画像提供：Microchip Technology、一部修正あり)
digipotは、ハイまたはローのエッジトリガーとチップセレクトを使用して、抵抗値の増減を行います(図8)。これにより、従来のボリュームコントロールのような外観と操作性を持ちながら、ポテンショメータのような問題がなく、digipotの利点を生かしたノブを簡単に実装することができます。
図8：digipotのU/Dインターフェースは、低分解能エンコーダをトリガとして、エッジトリガによる抵抗値の増減を可能にしている。(画像提供：Microchip Technology)
digipotの許容誤差は、多くのレシオメトリックのケースやクローズドループのケースでは許容範囲内となる公称値の±10～±20%であるのが一般的なため、問題となる場合があります。しかし、オープンループのアプリケーションでdigipotを外部のディスクリート抵抗やセンサに適合させる場合には、digipotの許容誤差は重要なパラメータとなります。このため、標準的なdigipotの中には、±1%という、より厳しい許容誤差のものもあります。
もちろん、他のICの場合と同様に、抵抗温度係数や温度関連のドリフトも誤差の因子の一つとなります。ベンダーはこれらの数値をデータシートに明記することで、Spiceなどの回路モデルでそれらの影響を評価できるようにしています。この他にも厳しい許容誤差のオプションがあるので、以下に説明します。
帯域幅や歪みは、較正やバイアス点の設定などの静的な用途では問題になりませんが、オーディオなどの用途では問題になります。特定のコードの抵抗経路、スイッチの寄生成分、ピン、基板の静電容量の組み合わせは、抵抗-コンデンサ(RC)のローパスフィルタとなります。エンドツーエンドの抵抗値が低いほど高い帯域幅が得られます。1kΩのdigipotでは約5MHz、1MΩのdigipotでは5kHzの帯域幅が得られます。
一方、全高調波歪み(THD)は、適用される信号レベルの変化に対する抵抗の非線形性に大きく起因します。エンドツーエンドの抵抗値が高いdigipotは、全抵抗値に対する内部スイッチの抵抗値の寄与が小さくなるため、THDが低くなります。
このように、帯域幅とTHDはトレードオフの関係にあり、設計者が公称digipot値を選択する際にまず第一に考慮しなければならないものになっています。一般的な値は、20kΩのdigipotで－93dB、100kΩのユニットで－105dBとなっています。
デュアル、クアッド、リニアのdigipotのバリエーション vs 対数のdigipotのバリエーション
digipotは、ハンドオフ制御が可能であることに加え、シンプルで設計が容易であり、ポテンショメータに比べてコストも大幅に削減できます。その他の機能には、以下のものがあります。
• デュアルdigipotは、2つの抵抗を別々に調整しなければならない場合に便利ですが、特に同じ値にしなければならない場合に便利です。2つのdigipot ICを別々に使用することもできますが、デュアルデバイスとして使用した方が、許容誤差やドリフトがあっても抵抗値をトラッキングできるという利点が加わります。
• リニアの設定と対数(ログ)の設定：トリムや較正の用途では通常、デジタルコードと結果としての抵抗値の間にリニアな関係があることが必要ですが、多くのオーディオ用途では、オーディオの使用場面で必要とされるデシベルスケーリングにリニア関係よりも適した対数関係があると役に立ちます。
このような対数関係を作成するには、Maxim Integrated ProductsのDS1881E-050+などの対数digipotを使用することができます。このデュアルチャネルデバイスは、5Vの単一電源で動作し、端から端まで45kΩの抵抗値を持ち、バス上に最大8個のデバイスを置くことができるアドレスピンを備えたI2Cインターフェースを備えています。2つのチャンネルの抵抗値はそれぞれ独立して設定でき、ユーザーが選択可能ないくつかの構成を備えています。基本構成は、63ステップ(1ステップにつき1dBの減衰)、0dB～－62dB、およびミュートです(図9)。
図9：Maxim DS1881E-050+デュアルチャネルdigipotは、オーディオ信号経路用に設計されており、63dBの範囲で1dB/ステップのゲイン設定が可能である。(画像提供：Maxim Integrated Products)
DS1881E-050+はクロストークを最小限に抑えるように設計されており、2つのチャンネルは0.5dBのチャンネル間適合を行い、チャンネル間の音量差を最小限に抑えています。また、クリック音を防ぐためのゼロクロスでの抵抗器の切り替えを実装しているほか、実用性に優れている不揮発性メモリも搭載しています。不揮発性メモリの一般用途については後述します。
digipotが扱うことのできる最大電圧も考慮しなければなりません。低電圧digipotが+2.5V(バイポーラ電源では±2.5V)のレール用であるのに対し、高電圧digipotはMicrochip Technology MCP41HV31(50kΩ、128タップ、SPIインターフェースのデバイス)など最大36V(±18V)のレール用です。
不揮発性メモリによる電源リセットのサポート
基本的なdigipotには多くの長所がありますが、ポテンショメータにはない、避けられない弱点があります。それは、電源を切ると設定値が消えてしまうことと、パワーオンリセット(POR)の位置が設計上、通常、ミッドレンジに設定されていることです。残念ながら、多くのアプリケーションでは、このPOR設定は使用できません。
較正設定値について考えてみましょう。一度設定された設定値は、ラインで電源を切断したり電池を交換したりしても、特定の目的で調整するまで保持されます。また、多くのアプリケーションでは、「正しい」設定とは、電源を切断したときに使用していた最後の設定です。
このため、ポテンショメータを使い続ける理由の一つとして、パワーリセットしても設定値が失われないことが残っていましたが、digipotはこの欠点を解消しました。当初一般的だった設計は、システムプロセッサが動作中にdigipotの設定値をリードバックし、電源投入時にその設定値を再読み込みするというものでした。しかし、この方法はパワーオングリッチを引き起こすため、システムの完全性やパフォーマンスの面で一般に受け入れられませんでした。
この問題を解決するために、EEPROMベースの不揮発性メモリ(NVM)技術がdigipotに追加されました。NVMを使用すると、電源がオフになったときでも、digipotはプログラムされていた最後のワイパー位置を保持できます。これに対し、ワンタイムプログラマブル(OTP)バージョンでは、設計者はワイパーのパワーオンリセット(POR)位置を事前定義された値に設定できるだけです。
NVMは他の拡張機能も実現します。たとえば、Analog DevicesのAD5141BCPZ10は、その抵抗器の許容誤差がEEPROMメモリに保存されています(図10)。このデバイスは、I2CとSPIの両方のインターフェースをサポートする、シングルチャネル、128/256ポジション、書き換え可能な不揮発性デジタルポテンショメータです。
保存されている許容値を使って、設計者は実際のエンドツーエンドの抵抗値を0.01%の精度で計算し、「ワイパーより上流」のdigipotセグメント数と「ワイパーより下流」のdigipotセグメント数との比率を設定することができます。この精度0.01%は、NVMを搭載していない高精度digipotの精度1%の100倍です。
図10：Analog DevicesのAD5141BCPZ10 digipotは、再書き込み可能な不揮発性メモリ(EEPROM)を内蔵しており、希望するパワーオンリセット設定値や、独自の抵抗アレイの較正係数を保存するために使用することができる。(画像提供：Analog Devices)
このリニアゲイン設定モードでは、RAWやRWBストリング抵抗を経由するデジタルポテンショメータ端子間の抵抗値を独自にプログラミングすることができ、高精度の抵抗適合が可能です(図11)。このような精度は、2つの抵抗の比でゲインが決まる反転アンプのトポロジなどでしばしば必要とされます。
図11：digipotのNVMは、正確な抵抗比を使ってアンプのゲインを設定する回路のために、ワイパーの上下流にある較正した抵抗値を保存するのにも使用できる。(画像提供：Analog Devices)
digipotの特異性に注意
digipotは、あまり望ましくないか実用的でない従来のポテンショメータデバイスの代わりに広く使用されていますが、設計者が考慮しなければならないいくつかの特性があります。たとえば、ポテンショメータの金属製ワイパーは、ほぼゼロの接触抵抗で抵抗素子に接触しており、その温度係数は通常無視できます。
しかし、digipotの場合、ワイパーはCMOS素子であり、抵抗値は数十Ωから1kΩ程度と小さいですが、それでも意味のある抵抗値です。1kΩのワイパーに1mAの電流が流れた場合、ワイパーにかかる1Vの電圧降下により、出力信号のダイナミックレンジが制限されることがあります。
さらに、このワイパー抵抗は、印加電圧と温度の両方の関数であるため、信号経路のAC信号に非線形性と歪みをもたらします。ワイパーの典型的な温度係数である約300ppm(百万分率)は重要になる場合があるので、高精度設計の誤差バジェットに織り込む必要があります。digipotモデルにはこの係数よりもはるかに低い係数で提供されるものもあります。
まとめ
digipotは、多くのシステムアーキテクチャや回路設計で使用されている従来の電気機械式ポテンショメータに代わるデジタル設定のICです。製品の小型化や不意の動きによる誤差の可能性を減らすだけでなく、プロセッサやソフトウェアとの互換性を高め、より高い精度や分解能(必要な場合)などの便利な機能を提供します。
ここまで見てきたように、digipotは、公称抵抗値、ステップサイズ、精度を幅広く揃えており、不揮発性メモリを追加することで機能が拡張されるので、多くのアプリケーションで使用する上での深刻な障害を克服しています。
参考情報
(1) TRIAC駆動回路におけるLEDランプの調光に対応したIC
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