使用DS1802按钮数字电位器创建带衰减器的音频前置放大器

DS1802双通道对数音频电位器简介

DS1802音频电位器包含两个数字控制电位器，具有对数锥度，每增量产生1dB的变化。最大衰减为63dB，但该器件还具有静音功能，可衰减大于90dB的信号。此外，DS1802具有四个按钮输入，既可用作立体声应用的音量/平衡控制器，也可用作两个电位器的独立位置控制。该器件还包含过零检测器，如果使用得当，可以无缝改变音量，以创建专业声音的音频系统。该器件采用 20 引脚 DIP、SOIC 或 TSSOP 封装。

DS1802非常适合需要按钮可控电阻的应用。它还具有一个3线接口，允许PC或微控制器控制电位计。本应用笔记展示了如何使用该器件，以最少的硬件为两个立体声通道创建一个具有按钮可控音量的前置放大器电路。

单电源音频电路

使用DS1802的第一步是了解如何将交流信号偏置到直流电源范围内。这是必需的，因为DS1802会削波试图低于GND或高于V的音频信号抄送.DS1802可以工作在3V或5V电源，但请注意，选择电源电压会影响器件可以处理的最大音频信号摆幅。由于音频信号通常是对称的，因此最好将直流偏置设置为V抄送/2以获得最大的音频信号摆幅。

图1所示的电阻分压器可用于将输入信号的直流偏置设置为V抄送/2.

图1.电阻R1和R2为音频电路增加直流偏置

该电路允许交流信号通过中间电阻（或电位计），两侧具有相同的直流偏置。这对于数字电位计至关重要，因为当电位计端到端电阻两端的电压为零时，过零检测器会切换电位计的位置。因此，数字电位计两端没有电压电位，当数字电位计切换其位置时，通常不会听到爆音。

图2中的交流和直流模型显示了对该电路性能至关重要的三个元件。一、C在必须阻断直流信号，这允许电阻网络设置直流偏置。此外，CIN必须足够大，以允许低频信号传递到电阻网络。如果 C在足够大，系统将在整个音频范围内具有良好的性能。

其次，两个R2电阻两端的电阻必须远小于电位计的端到端电阻。因此，交流信号被分流到电位计和两个并联的R2电阻上。相反，如果两个R2电阻的电阻很大，则大部分交流信号可能会丢失。这将降低系统的信噪比。因此，建议使两个R2电阻的电阻相对较小。但是，这样做反过来会影响系统的直流电流。

最后，两个R1电阻的电阻应该相对较大，否则交流输入阻抗将太低而无法实际使用。大多数消费类音频组件具有相对较高的输入阻抗。R1电阻的电阻和电位计的端到端电阻对该电路的交流输入阻抗影响最大。输入阻抗不会受到R2或C的影响在因为这些阻抗相对于其他两个电阻必须很小，电路才能正常工作。

图2.图1所示电路的直流和交流模型。

该电路的直流模型易于分析，因为输入电容将电阻网络与与输入相关的任何直流隔离开来。此外，电位计的两端均设置为V抄送/2，因此直流电流不会流过电位计。因此，很容易确定电路的直流电流消耗（参见公式4）。它是从V流出的电流的总和抄送通过两个R1和两个R2电阻进行GND。该方程已在数学上简化为单个分数。注意，这还不包括DS1802的电流，由于芯片的数字部分，DS<>的电流会很小。

 

RIN= (1/j2πfCIN) + R1||R1||(RPOT+ R2||R2)	(Eq. 1)
RIN_R= R1||R1||(RPOT+ R2||R2)	(Eq. 2)
g = 20log10[(RIN_R/RIN)(RPOT/RPOT+ R2||R2)]	(Eq. 3)
IDC= (VCC(2R1 + 2R2))/(4R1R2)	(Eq. 4)

 

如果您考虑此电路的交流型号，V抄送将显示为交流接地。该电阻易于分析阻抗考虑因素。R 的公式在如公式 1 所示。R 的公式IN_R，这是没有输入电容的电阻网络的阻抗，如公式2所示。在公式 3 中，损耗与 R 成正比IN_R/R在和 R.JAR/（R.JAR+ R2||R2）。R型IN_R/R在项说明输入电容馈入电路输入阻抗时的压降。R型.JAR/（R.JAR+ R2||R2）项表示当交流信号在电位计上分频且两个电阻偏置电位计的低端时与分压器相关的损耗。如果阻抗为C在很大，R2很小，信号损失很小。此外，唯一与频率相关的信号损耗是由输入电容引起的，当输入电容与输入电阻网络的电阻耦合时，会产生一个高通滤波器。如果电容器的阻抗与输入电阻网络相比相对较小，则交流信号不会表现出与频率相关的特性。由于电路倾向于滤除低频响应，因此明智的做法是计算在20Hz（音频频谱的低端）下会发生多少损耗。该计算将显示电路应如何处理整个音频范围。

许多非常坚固的机械电位计设计经常被修改为包含数字电位计，但使用数字电位器时的一个常见错误是将其与机械电位计使用方式相同。图3显示了一个简单的电路，可以与机械电位计一起使用，但使用数字电位计会导致爆裂。

图3.一个简单的机械电位计电路，会导致数字电位计爆裂

图3中的电路与机械电位计配合使用，因为输出信号的直流电平随着电位计的变化而变化。电路的输入侧将保持在恒定的V抄送/2直流电平（假设R1等于电位计的端到端电阻）。当您更换机械电位计时，变化通常是连续可变的，直流输出电平缓慢而连续地变化。因此，C外将允许交流输出信号保持在直流地上。相反，数字电位计会瞬时改变电位器的位置。输出直流电平的阶跃变化将瞬间使电流通过C外.这将导致通常使用设计不佳的电路或廉价音频电路听到爆裂声，这些电路使用质量差的机械电位计，在电阻变化期间电阻会意外中断。

在该电路中使用数字电位计的另一个问题是过零检测器无法工作，因为电位计（H）的高压侧偏置于V抄送/2和电位计（L）的低端接地。因此，除非交流信号的幅度为V抄送/2，H和L永远不会处于相同的电位，过零检波器将始终超时，并在电位计两端有电位时切换。

在机械电位计设计中集成数字电位计的另一个示例如图4所示。将该电路转换为使用数字电位计时存在几个潜在问题。输入信号通过电位计以地为基准。如果输入是具有0V直流偏置的音频信号，则负信号电压将施加到电位计的高压侧。DS1802通过其静电放电（ESD）结构将信号削波到地以下。DS1802的最大额定值意味着-0.5V信号不会成为问题。然而，DS1802的ESD保护电路在信号低于GND或高于V时激活。抄送.虽然它不会损坏部件，但负信号电压会导致音频信号失真。此外，如果电位计的两端偏置至0V DC，该电路也适用于过零检测器。但是，由于没有负信号摆幅，电路设计人员决定将输入偏置至V抄送/2.

图4.转换为数字电位计的机械电位计电路示例

一旦输入被重新偏置，就会出现与图3相同的过零问题。电位计的高侧和低端现在处于不同的直流电位，游标上的瞬时直流电平变化将通过C1传播到输出端。

要在为机械电位计设计的电路中使用数字电位计，请考虑所有直流工作点和交流信号路径。电路的各个部分易于使用。但是，如果它们与数字电位计一起使用，它们就会成为有源元件，为了获得良好的结果，必须根据数据手册中的规格使用。

带按钮音量控制的立体声前置放大器示例

除了将音频信号偏置到 V 的直流电平抄送/2和保持电位器的高低端处于相同的直流电位，使用DS1802进行音频衰减时，还需要考虑几点。输入电阻网络的输入阻抗必须足够大，以便外部源可以将信号驱动到前置放大器。此外，输入电容必须足够大，不会衰减低端频率响应，R2电阻的电阻必须足够小，以免衰减数字电位计上的信号。

图5所示电路具有最小的信号损耗和良好的频率响应。

图5.带按钮衰减器的前置放大器电路

该电路产生大于13.7kΩ的输入阻抗。两个并联R1电阻、电位计、两个并联R2电阻和20Hz输入电容的信号损耗为1.2dB。充其量，大多数全频扬声器的频率响应低至50Hz，50Hz时的输入衰减为0.6dB。另外，注意，由于DS1802内部对输入开关进行去抖动，瞬时开关仅接地。图5所示的开关配置仅为音频信号提供音量调高、音量调低和静音控制。DS1802数据资料给出了如何配置立体声控制器的器件，以及如何使用按钮独立控制电位器（如果需要该功能）。另外，请注意 V抄送在DS1802和MAX4167运算放大器附近用电容去耦。这通过限制电源波动来提高系统的音频性能。本电路需要运算放大器，因为DS1802具有相对较高的游标（输出）电阻。在没有缓冲的情况下，DS1802只能驱动一个1mA负载。此外，如果负载是容性的，则高输出电阻将导致衰减器滤除高频。由于运算放大器具有高输入阻抗，因此它不会降低电位计的负载，并且能够为下一个放大器级提供合理的驱动电流。需要两个C3电容来允许放大器的下一级重新偏置音频信号的直流电平。如果下一级存在输入电容，或者下一级以相同的直流偏置电平工作，则不需要它们。

实现VCC/2偏置电平的另一种方法是使用基准电压源。基准电压源可以存储2kΩ （R2）电阻消耗的电流（见图5）。在图6中，一个2.5V基准用于5V VCC。

图6.VCC/2 偏置由串联 （A） 和并联 （B） 基准电压源提供。

图1中的R2和R6电阻可以是任何合理的值，可以减小C的尺寸和值在.CL必须足够大，以通过所需的最低交流音频频率。

总结

本应用笔记讨论了DS1802作为可调音频前置放大器电路的有效使用要点。在将交流信号偏置在直流电源范围内时，设计人员需要考虑所有直流工作点和交流信号路径。此外，虽然在为机械电位计设计的电路中使用数字电位器非常普遍，但为了达到预期的结果，需要考虑不同电位计的影响。

审核编辑：郭婷