Некоторое время назад я опубликовал статью с идеей конструкции [1], в которой для управления коэффициентом усиления высококачественного нескорректированного операционного усилителя OP37 в необычайно широком диапазоне (от –30 дБ до +60 дБ) используется один линейный потенциометр.
Схема показана на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Заземленный движок позволяет R2 выполнять функции как входного аттенюатора, так и регулятора выходного усиления. |
Недавно мне стало интересно, сможет ли цифровой потенциометр (ЦП) работать вместо механического потенциометра R2 на Рисунке 1. Вероятная топология с‑ЦП показана на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | R2 выполняет ту же функцию, что и на Рисунке 1, с постоянным смещением, получаемым от цепи R4R5C2 для работы с биполярными сигналами. Но как быть с эффектами, вносимыми сопротивлением движка RW? |
При ближайшем рассмотрении все оказалось не таким уж многообещающим. Это связано с тем, что сопротивление движка нарушает изоляцию двух половин R2, в первую очередь благодаря которой и работала оригинальная схема. Решение, к которому я в конечном итоге прибегнул, показано на Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 3. | Петли положительной и отрицательной обратной связи усилителя A2 объединяются, создавая активное отрицательное сопротивление, равное –R4. |
Основой этого трюка является микросхема А2 и окружающая его цепь. Они создают эффект активного отрицательного сопротивления, которое вычитается из сопротивления движка RW и, если отрегулировать его так, чтобы R4 = RW, теоретически (самое нелюбимое слово инженера) может полностью его нейтрализовать.
Быстрый способ настройки RW – записать в ЦП ноль, подать на вход напряжение со среднеквадратичным значением около 1 В, а затем подстройкой R4 установить на выходе ноль.
Вот немного математики отрицательного сопротивления. Обратите внимание, что VP# обозначает сигнал на выводе микросхемы A2 с номером «#».
Пусть IW – сигнальный ток движка, тогда
VP6 = VP2 – R4·IW,
VP2 = VP3 (отрицательная обратная связь),
VP3 = VP6/2 (положительная обратная связь),
VP6 = –2·R4·IW.
Если R4 = RW, то
IR4 = IRW, где IR4 и IRW – токи, протекающие через резисторы R4 и RW, соответственно.
–2·R4·IW = –(R4 + RW)·IW,
VW = VP6 + (IW·R4 + IW·Rw) = –IW(R4 + RW) + IW(R4 + RW).
Как видим, VW = 0 (сопротивление RW было полностью компенсировано!). Коэффициент усиления G равен
где ds – доля сопротивления R2, установленная кодом ЦП.
 |
|
| Рисунок 4. | Красная кривая показывает характеристику при некомпенсированном сопротивлении RW (примерно 150 Ом); обратите внимание на потерю 20 дБ на обоих краях диапазона. Черная кривая отображает случай, когда RW компенсируется отрицательным сопротивлением (R4 = RW = 150 Ом). |
Красная кривая на Рисунке 4 позволяет сравнить поведение схемы на Рисунке 2 с (некомпенсированным) RW = 150 Ом (правдоподобным для использованного потенциометра Microchip), а черная кривая показывает, что произойдет, если R4 = RW = 150 Ом. Сравните это с показанной на Рисунке 5 характеристикой оригинальной схемы (Рисунок 1), в которой используется механические потенциометр.
 |
|
| Рисунок 5. | Кривая усиления схемы, в которой используется механический потенциометр, идентична кривой для схемы на основе ЦП с компенсацией RW отрицательным сопротивлением. |
Конечно, компенсация RW во всем диапазоне настроек ЦП не может быть более идеальной, чем согласование RW на 257 различных отводах ЦП при постоянном смещении 2.5 В, обеспечиваемом делителем R5R6. Типичное согласование в пределах резисторной матрицы данного потенциометра кажется хорошим, но это не обещание производителя, который говорит только о значении ±20% или около того. Однако уменьшение RW в 5 раз все равно полезно.
Примечание: После публикации версии этой идеи с механическим потенциометром я узнал, что г-н Т. Фрэнк Риттер предвосхитил ее более чем на 50 лет в своей работе «Управление усилением операционного усилителя с помощью одного потенциометра», опубликованной в «Справочнике разработчика электроники» в 1972 году издательством McGraw Hill.
Итак, с запозданием, но с энтузиазмом я снимаю шляпу перед г-ном Риттером. Я всегда восхищался первопроходцами!
