Principes de base et utilisation des potentiomètres numériques

Les potentiomètres mécaniques sont utilisés par les concepteurs depuis des décennies dans des applications s'étendant de l'ajustement des circuits au contrôle du volume. Cependant, ils ont leurs limites : leurs curseurs peuvent s'user, ils sont sensibles à l'infiltration d'humidité et leur position de réglage peut être accidentellement bougée. En outre, à mesure que le monde devient numérique, les concepteurs ont besoin d'une alternative pour répondre aux exigences en matière de contrôle plus précis, de haute fiabilité et de flexibilité nécessaire pour ajuster les valeurs à distance via un micrologiciel.

Les circuits intégrés de potentiomètres numériques (digipot) permettent de résoudre ces problèmes en faisant le lien entre le domaine numérique et le monde des résistances analogiques. En tant que composants entièrement électroniques et compatibles avec les microcontrôleurs, les potentiomètres numériques permettent à un processeur et à un logiciel de contrôler, définir et faire varier la valeur de leur résistance ou le rapport de leur diviseur de tension.

Ils offrent des caractéristiques et des fonctions que les dispositifs mécaniques ne peuvent pas fournir et ils sont plus robustes et plus fiables car ils n'ont pas de curseur mobile. Ils ne peuvent pas être modifiés intentionnellement ni ajustés accidentellement, ce qui évite des changements de performances inexplicables. Les applications incluent la stabilisation thermique des LED, la gradation LED, la commande de gain en boucle fermée, le réglage du volume audio, l'étalonnage et les ajustements des ponts de Wheatstone pour les capteurs, le contrôle des sources de courant et l'accord des filtres analogiques programmables, pour n'en citer que quelques-unes.

Cet article propose une brève introduction aux potentiomètres et à leur évolution vers les potentiomètres numériques. Il utilise ensuite des composants d'Analog Devices, de Maxim Integrated, de Microchip Technology et de Texas Instruments pour expliquer le fonctionnement des potentiomètres numériques, les configurations de base et avancées, et la manière dont ils répondent aux exigences d'ajustement des circuits. Il montre comment leurs fonctions, caractéristiques, capacités et options peuvent être utilisées pour simplifier les circuits, les rendre compatibles avec les processeurs et réduire, voire éliminer, le recours à des potentiomètres mécaniques encombrants et moins fiables.

Principes de base des potentiomètres

Le potentiomètre est un composant de circuit passif essentiel depuis les débuts de l'électricité et de l'électronique. Il s'agit d'un dispositif à trois bornes avec un élément de résistance accessible, assurant une fonction de diviseur de tension via son curseur réglable par l'utilisateur sur un arbre rotatif. Il est utilisé dans d'innombrables circuits à signaux mixtes et analogiques pour répondre aux exigences d'une grande variété d'applications (Figure 1).

Figure 1 : Le potentiomètre standard est une résistance variable réglable par l'utilisateur avec un arbre rotatif. (Source de l'image : etechnog.com)

La résistance rencontrée par le circuit entre l'un des contacts d'extrémité et le curseur ajustable varie de zéro ohm (nominal) à la valeur nominale totale de la résistance du fil ou du film lorsque le curseur pivote et glisse le long de l'élément résistif. La plupart des potentiomètres ont une plage de rotation d'environ 270 à 300 degrés, avec une résolution mécanique et une répétabilité typiques d'environ 0,5 % et 1 % de la valeur pleine échelle (entre une partie sur 200 et 100, respectivement).

Notez qu'il existe une différence minime mais significative et importante entre un potentiomètre et son petit frère, le rhéostat. Un potentiomètre est un dispositif à trois bornes agissant comme un diviseur de tension (Figure 2, à gauche), tandis que le rhéostat est une résistance ajustable à deux bornes qui contrôle le flux de courant. Le potentiomètre est souvent câblé pour créer un rhéostat, ce qui peut se faire de trois manières similaires, en laissant une borne d'extrémité non connectée ou connectée directement au curseur (Figure 2, à droite).

Figure 2 : Le potentiomètre avec les bornes d'extrémité A et B et le curseur W (à gauche) peut facilement être utilisé comme rhéostat avec l'une des trois approches de connexion (à droite). (Source de l'image : Analog Devices)

Potentiomètres numériques : potentiomètres sous forme de circuits intégrés

Le potentiomètre numérique tout électronique émule les fonctionnalités du potentiomètre électromécanique, mais en utilisant un circuit intégré sans pièces mobiles. Il accepte un code numérique dans l'un des nombreux formats et établit une valeur de résistance correspondante. En tant que tel, il est parfois appelé convertisseur numérique-analogique résistif (RDAC).

Dans un potentiomètre traditionnel, la position du curseur et donc le rapport du diviseur de tension sont définis manuellement (ou parfois même avec un petit moteur). Dans un potentiomètre numérique, cependant, les commandes de l'ordinateur se connectent au circuit intégré du potentiomètre numérique via une interface numérique et établissent une valeur équivalente à la position du curseur (Figure 3).

Figure 3 : Le circuit intégré du potentiomètre numérique remplace le réglage manuel du curseur du potentiomètre par un commutateur électronique à réglage numérique qui émule un curseur mécanique. (Source de l'image : Circuits101, modifiée)

Le potentiomètre numérique utilise la technologie de circuits intégrés CMOS standard et ne requiert aucune fabrication ou manipulation particulière. La taille d'un circuit intégré de potentiomètre numérique à montage en surface, typiquement de 3 millimètres (mm) x 3 mm ou moins, est bien inférieure à celle d'un potentiomètre ajusté par bouton ou même à celle d'un petit potentiomètre ajustable (trimpot) réglé à l'aide d'un tournevis, et le circuit intégré est traité comme tout autre circuit intégré à montage en surface (CMS) en termes de production de cartes à circuit imprimé.

En principe, la topologie interne du potentiomètre numérique consiste en une simple chaîne de résistances en série avec des commutateurs électroniques adressables numériquement entre le curseur et ces résistances. À l'aide d'une commande numérique, le commutateur approprié est activé tandis que les autres sont désactivés, établissant ainsi la position souhaitée du curseur. En pratique, cette topologie présente quelques inconvénients, notamment le grand nombre de résistances et de commutateurs requis et une taille de puce plus importante.

Pour minimiser ces problèmes, les fournisseurs ont développé d'autres arrangements ingénieux de résistances et de commutateurs qui permettent de réduire leur nombre tout en produisant le même effet. Chacune de ces topologies résulte en de petites différences dans la plage et les caractéristiques de second niveau du potentiomètre numérique, mais la plupart de ces différences sont transparentes pour l'utilisateur. Dans la suite de cet article, nous utiliserons le terme potentiomètre pour le dispositif électromécanique et potentiomètre numérique pour le dispositif tout électronique.

Les potentiomètres numériques offrent une variété de spécifications et de fonctionnalités

Comme pour tout composant, il existe des paramètres de premier niveau ainsi que des paramètres secondaires à prendre en compte lors du choix d'un potentiomètre numérique. Les points les plus importants sont la valeur de résistance nominale, la résolution et le type d'interface numérique, tandis que les points à prendre en compte sont la tolérance et les sources d'erreur, la plage de tensions, la bande passante et la distorsion.

• La valeur de résistance requise, souvent appelée résistance de bout en bout, est déterminée par les considérations de conception du circuit. Les fournisseurs proposent des résistances comprises entre 5 kilohms (kΩ) et 100 kΩ dans une séquence 1/2/5 avec quelques autres valeurs intermédiaires. De plus, il existe des unités à plage étendue qui vont de seulement 1 kΩ jusqu'à 1 mégaohm (MΩ).

• La résolution définit le nombre de réglages d'échelons ou de pas discrets que le potentiomètre numérique offre, s'étendant de 32 à 1024 pas pour permettre au concepteur de répondre aux besoins de l'application. Gardez à l'esprit que même un potentiomètre numérique milieu de gamme à 256 pas (8 bits) a une résolution supérieure à celle d'un potentiomètre.

• L'interface numérique entre le microcontrôleur et le potentiomètre numérique est disponible en formats I²C et SPI série standard, avec des broches d'adresse permettant de connecter plusieurs dispositifs via un seul bus. Le microcontrôleur utilise un schéma de codage de données simple pour indiquer le réglage de résistance souhaité. Un potentiomètre numérique minimaliste tel que le TPL0501 de Texas Instruments, un potentiomètre numérique à 256 pas avec interface SPI, constitue un bon choix lorsque la dissipation de puissance et la taille sont critiques (Figure 4). Il est disponible en boîtiers compacts SOT-23 (1,50 mm × 1,50 mm) à 8 broches et UQFN (1,63 mm × 2,90 mm) à 8 broches.

Figure 4 : Un potentiomètre numérique de base tel que le TPL0501 de Texas Instruments avec interface SPI est un composant efficace pour les applications à espace et puissance limités ne nécessitant pas de fonctionnalités supplémentaires. (Source de l'image : Texas Instruments)

Il peut par exemple être utilisé dans des dispositifs médicaux corporels de grade clinique, tels que les oxymètres et les patchs de capteur, où il est associé à l'amplificateur opérationnel OPA320 de TI (Figure 5). Cette combinaison crée un diviseur de tension pour contrôler le gain de l'amplificateur qui fournit la sortie du convertisseur numérique-analogique (CNA). La question évidente est : pourquoi ne pas simplement utiliser un CNA complet standard ? La raison ici est que cette application clinique nécessite une sortie analogique rail-à-rail de précision, avec un taux de réjection du mode commun (TRMC) élevé et un faible bruit, pour lesquels l'OPA320 est spécifié à 114 décibels (dB) et 7 nV/√Hz à 10 kilohertz (kHz), respectivement.

Figure 5 : Un potentiomètre numérique peut être associé à un amplificateur opérationnel de précision tel que l'OPA320 de TI pour créer un CNA avec des performances d'amplificateur opérationnel de sortie supérieures. (Source de l'image : Texas Instruments)

En outre, il existe des variantes d'interface de potentiomètre numérique qui simplifient leur utilisation dans des applications telles que les commandes de volume actionnées par l'utilisateur. Deux autres options sont l'interface à bouton-poussoir et l'interface haut/bas (U/D). Avec l'interface à bouton-poussoir, l'utilisateur appuie sur l'un des deux boutons disponibles : l'un pour augmenter la valeur de résistance et l'autre pour la diminuer. Notez qu'aucun processeur n'est impliqué dans cette action (Figure 6).

Figure 6 : L'interface à bouton-poussoir permet une connexion sans processeur entre deux boutons-poussoirs actionnés par l'utilisateur, conduisant à une incrémentation/décrémentation directe du réglage du potentiomètre numérique. (Source de l'image : Analog Devices)

L'interface U/D peut être implémentée avec une surcharge logicielle minimale et est déclenchée par un simple codeur rotatif ou un bouton-poussoir connecté à un processeur, et mise en œuvre à l'aide d'un potentiomètre numérique tel que le MCP4011 de Microchip Technology, un dispositif basique à 64 pas (6 bits), disponible avec des valeurs de résistance de 2,1 kW, 5 kW, 10 kW et 50 kW (Figure 7).

Figure 7 : Un potentiomètre numérique, tel que le MCP4011 de Microchip Technology avec une sélection de puces et une ligne de commande U/D à déclenchement par front d'impulsions, requiert un nombre minimum d'E/S et de ressources logicielles de la part du microcontrôleur hôte. (Source de l'image : Microchip Technology, modifiée)

Il utilise un seul déclencheur à front montant ou descendant, plus une sélection de puces pour augmenter ou diminuer l'incrément de résistance (Figure 8). Cela permet l'implémentation simple d'un bouton qui ressemble à un contrôle de volume traditionnel, sans les problèmes associés aux potentiomètres mais avec les avantages des potentiomètres numériques.

Figure 8 : L'interface U/D d'un potentiomètre numérique prend en charge l'incrémentation et la décrémentation de la valeur de résistance en utilisant un déclencheur depuis un codeur basse résolution. (Source de l'image : Microchip Technology)

La tolérance des potentiomètres numériques peut être un problème car elle se situe généralement entre ±10 % et ±20 % de la valeur nominale, ce qui est acceptable dans de nombreux cas ratiométriques ou en boucle fermée. Cependant, elle peut constituer un paramètre critique si le potentiomètre numérique est adapté à une résistance discrète externe ou à un capteur dans une application en boucle ouverte. C'est pourquoi il existe des potentiomètres numériques standard avec une tolérance beaucoup plus étroite de seulement ±1 %. Bien sûr, comme pour tous les circuits intégrés, le coefficient de température de résistance et la dérive en température associée peuvent également être un facteur. Les fournisseurs spécifient ces valeurs dans leur fiche technique afin que les concepteurs puissent évaluer leur impact via des modèles de circuits tels que Spice. D'autres options à tolérance étroite sont disponibles et sont présentées ci-dessous.

Bien que cela ne soit pas un problème dans les applications statiques telles que l'étalonnage ou le réglage du point de polarisation, la bande passante et la distorsion sont des problèmes dans les applications audio et connexes. Le chemin de résistance d'un code particulier, combiné aux parasites des commutateurs et aux capacités des broches et de la carte, forme un filtre passe-bas de type résistance-capacité (RC). Des valeurs de résistance de bout en bout plus faibles permettent d'obtenir une bande passante plus élevée, avec des bandes passantes jusqu'à environ 5 mégahertz (MHz) pour un potentiomètre numérique de 1 kΩ, ou de seulement 5 kHz pour une unité de 1 MΩ.

En revanche, la distorsion harmonique totale (THD) est largement due aux non-linéarités des résistances à différents niveaux de signaux appliqués. Les potentiomètres numériques avec une résistance de bout en bout plus élevée réduisent la contribution de la résistance de commutateur interne par rapport à la résistance totale, résultant en une distorsion harmonique totale plus faible. Par conséquent, la bande passante par rapport à la distorsion harmonique totale est un compromis que les concepteurs doivent prioriser et pondérer lors du choix de la valeur nominale du potentiomètre numérique. Les valeurs typiques s'étendent de -93 dB pour un potentiomètre numérique de 20 kΩ, à -105 dB pour une unité de 100 kΩ.

Variations des potentiomètres numériques doubles, quadruples et linéaires par rapport à logarithmiques

En plus de leur contrôlabilité « sans intervention », les potentiomètres numériques offrent une simplicité supplémentaire, une grande facilité de conception et un coût bien inférieur à celui des potentiomètres. Leurs autres capacités incluent :

• Les potentiomètres numériques doubles sont utiles lorsque deux résistances doivent être réglées indépendamment, mais surtout lorsqu'elles doivent avoir la même valeur. Bien que deux circuits intégrés de potentiomètres numériques distincts puissent être utilisés, le dispositif double offre l'avantage de suivre les valeurs de résistance malgré la tolérance et la dérive ; des dispositifs quadruples sont également disponibles.

• Réglages linéaires par rapport à logarithmiques (log) : alors que les applications d'ajustement et d'étalonnage nécessitent généralement une relation linéaire entre le code numérique et la résistance résultante, de nombreuses applications audio bénéficient d'une relation logarithmique pour mieux s'adapter à l'échelle de décibels requise dans les situations audio.

Pour répondre à ce besoin, les concepteurs peuvent utiliser des potentiomètres numériques logarithmiques tels que le DS1881E-050+ de Maxim Integrated Products. Ce dispositif à deux canaux fonctionne à partir d'une seule alimentation de 5 volts (V), affiche une résistance de 45 kΩ de bout en bout, et dispose d'une interface I²C avec des broches d'adresse pour permettre jusqu'à huit dispositifs sur le bus. La valeur de résistance de chacun des deux canaux peut être définie indépendamment, et plusieurs paramètres de configuration sélectionnables par l'utilisateur sont disponibles ; la configuration de base comporte 63 pas avec une atténuation de 1 dB par pas, de 0 dB à -62 dB, plus un silencieux (Figure 9).

Figure 9 : Le potentiomètre numérique à deux canaux DS1881E-050+ de Maxim est conçu pour les chemins de signaux audio, fournissant un réglage de gain de 1 dB/pas sur une gamme de 63 dB. (Source de l'image : Maxim Integrated Products)

Le DS1881E-050+ est conçu pour réduire la diaphonie, et les deux canaux offrent une adaptation canal-à-canal de 0,5 dB pour minimiser toute différence de volume entre eux. Le dispositif met également en œuvre une commutation de résistance de passage par zéro pour éviter les clics audibles et inclut une mémoire non volatile, dont l'utilité générale est abordée ci-dessous.

La tension maximale que les potentiomètres numériques peuvent supporter est également à prendre en considération. Les potentiomètres numériques basse tension sont disponibles pour fonctionner avec des rails de seulement +2,5 V (ou ±2,5 V avec une alimentation bipolaire), tandis que les potentiomètres numériques à plus haute tension, comme le MCP41HV31 de Microchip Technology — un dispositif à interface SPI de 50 kΩ, 128 pas — peuvent fonctionner avec des rails jusqu'à 36 V (±18 V).

La mémoire non volatile facilite les réinitialisations

Les potentiomètres numériques de base ont de nombreuses qualités, mais ils présentent une faiblesse inévitable par rapport aux potentiomètres : ils perdent leur réglage après une coupure d'alimentation, et leur position de réinitialisation à la mise sous tension (POR) est définie par leur conception, généralement à mi-course. Malheureusement, pour de nombreuses applications, ce réglage POR est inacceptable. Prenons l'exemple d'un paramètre d'étalonnage : une fois établi, il doit être conservé jusqu'à ce qu'il soit délibérément ajusté, malgré la coupure d'alimentation ou le remplacement de la batterie ; de plus, dans de nombreuses applications, le paramètre « correct » est celui qui a été utilisé pour la dernière fois avant la coupure d'alimentation.

Par conséquent, l'une des dernières raisons de s'en tenir aux potentiomètres était qu'ils ne perdaient pas leur réglage lors de la réinitialisation, mais les potentiomètres numériques ont surmonté ce défaut. À l'origine, il était courant que le processeur du système relise le réglage du potentiomètre numérique pendant le fonctionnement, puis recharge ce réglage à la mise sous tension. Cependant, cela créait des pointes de conversion à la mise sous tension et était souvent inacceptable pour l'intégrité et les performances du système.

Pour résoudre ce problème, les fournisseurs ont ajouté la technologie de mémoire non volatile (NVM) basée EEPROM aux potentiomètres numériques. Grâce à la mémoire NVM, les potentiomètres numériques peuvent conserver la dernière position programmée du curseur lorsque l'alimentation est coupée, tandis que les versions programmables une seule fois (OTP) permettent au concepteur de définir la position de réinitialisation à la mise sous tension du curseur à une valeur prédéfinie.

Le technologie NVM permet d'autres améliorations. Par exemple, l'AD5141BCPZ10 d'Analog Devices a son erreur de tolérance de résistance stockée dans sa mémoire EEPROM (Figure 10). Le dispositif est un potentiomètre numérique non volatil réinscriptible à un canal et 128/256 positions, prenant en charge les interfaces I²C et SPI. À l'aide des valeurs de tolérance enregistrées, les concepteurs peuvent calculer la résistance réelle de bout en bout avec une précision de 0,01 % pour définir le rapport des segments du potentiomètre numérique au-dessus du curseur et en dessous du curseur. Cette précision est cent fois supérieure à la précision de 1 % des potentiomètres numériques encore plus précis sans NVM.

Figure 10 : Le potentiomètre numérique AD5141BCPZ10 d'Analog Devices intègre une mémoire non volatile réinscriptible (EEPROM) qui peut être utilisée pour stocker les paramètres de réinitialisation à la mise sous tension souhaités, ainsi que les facteurs d'étalonnage pour sa propre matrice de résistances. (Source de l'image : Analog Devices)

Ce mode de réglage de gain linéaire permet la programmation indépendante de la résistance entre les bornes du potentiomètre numérique par le biais des résistances de chaînes R_AW et R_WB, permettant une adaptation très précise des résistances (Figure 11). Une telle précision est souvent nécessaire pour les topologies d'amplificateurs inverseurs, par exemple, où le gain est déterminé par le rapport de deux résistances.

Figure 11 : La mémoire NVM d'un potentiomètre numérique peut également être utilisée pour stocker des résistances étalonnées au-dessus et en dessous du curseur pour les circuits qui utilisent des rapports de résistance précis pour définir le gain de l'amplificateur. (Source de l'image : Analog Devices)

Tenir compte des particularités des potentiomètres numériques

Bien que les potentiomètres numériques soient largement utilisés pour remplacer les potentiomètres lorsque le dispositif traditionnel est moins souhaitable ou peu pratique, ils présentent certaines caractéristiques dont les concepteurs doivent tenir compte. Par exemple, le curseur métallique d'un potentiomètre entre en contact avec l'élément résistif avec une résistance de contact proche de zéro et a généralement un coefficient de température négligeable. Dans le cas d'un potentiomètre numérique, cependant, le curseur est un élément CMOS dont la résistance est modeste, mais néanmoins significative, de l'ordre de quelques dizaines d'ohms à 1 kΩ. Si 1 milliampère (mA) de courant traverse un curseur de 1 kΩ, la chute de 1 V qui en résulte dans le curseur peut limiter la plage dynamique du signal de sortie.

De plus, cette résistance du curseur est une fonction de la tension appliquée et de la température, et elle introduit une non-linéarité et donc une distorsion des signaux CA dans le trajet du signal. Le coefficient de température typique du curseur d'environ 300 parties par million par degré Celsius (ppm/°C) peut être significatif et doit être pris en compte dans le bilan d'erreurs pour les conceptions haute précision. Des modèles de potentiomètres numériques sont également proposés avec un coefficient beaucoup plus faible.

Conclusion

Le potentiomètre numérique est un circuit intégré à réglage numérique qui remplace le potentiomètre électromécanique classique dans de nombreuses architectures de systèmes et conceptions de circuits. Non seulement il réduit la taille du produit et la probabilité d'erreurs dues à un mouvement accidentel, mais il ajoute également une compatibilité avec les processeurs et donc les logiciels, tout en offrant une plus grande précision et une résolution plus élevée (si nécessaire), ainsi que d'autres fonctions utiles.

Comme illustré, les potentiomètres numériques sont disponibles dans une large gamme de valeurs de résistance nominale, de tailles de pas et de précisions, tandis que l'ajout d'une mémoire non volatile étend leurs capacités et permet de surmonter un obstacle important à leur utilisation dans de nombreuses applications.

Lectures complémentaires

1. ICs Answer the Challenge of Dimming LED Lamps in TRIAC-Driven Circuits