LTC6993系列單穩(wěn)態(tài)脈沖發(fā)生器：功能特性與設(shè)計(jì)應(yīng)用解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，單穩(wěn)態(tài)脈沖發(fā)生器是一種常用的電路元件，可用于產(chǎn)生精確的脈沖信號(hào)，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用。今天，我們將深入探討凌力爾特（現(xiàn)ADI）的LTC6993系列單穩(wěn)態(tài)脈沖發(fā)生器，詳細(xì)介紹其特性、工作原理、設(shè)計(jì)方法以及典型應(yīng)用。

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一、LTC6993系列概述

LTC6993是TimerBlox?家族中的一員，是一款可編程單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（也稱為“單觸發(fā)”脈沖發(fā)生器），脈沖寬度范圍為1μs至33.6秒。該系列提供四種不同版本（LTC6993 - 1、LTC6993 - 2、LTC6993 - 3、LTC6993 - 4），可根據(jù)不同的觸發(fā)信號(hào)極性和重觸發(fā)能力進(jìn)行選擇。

（一）主要特性

1. 寬脈沖寬度范圍：脈沖寬度范圍從1μs到33.6秒，可通過(guò)1至3個(gè)電阻進(jìn)行配置，滿足不同應(yīng)用的需求。
2. 高精度脈沖寬度：脈沖寬度誤差小，對(duì)于脈沖寬度大于512μs，最大誤差小于2.3%；8μs至512μs，誤差小于3.4%；1μs至8μs，誤差小于4.9%。
3. 多種觸發(fā)和重觸發(fā)選項(xiàng)：提供上升沿或下降沿觸發(fā)，可選擇可重觸發(fā)或不可重觸發(fā)版本，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。
4. 可配置輸出脈沖極性：可配置為正輸出脈沖或負(fù)輸出脈沖。
5. 低功耗與快速恢復(fù)：采用2.25V至5.5V單電源供電，在10μs脈沖寬度時(shí)電源電流為70μA，恢復(fù)時(shí)間快，啟動(dòng)時(shí)間為500μs。
6. 高驅(qū)動(dòng)能力與寬溫度范圍：CMOS輸出驅(qū)動(dòng)器可提供/吸收20mA電流，工作溫度范圍為 - 55°C至125°C，適用于各種惡劣環(huán)境。
7. 多種封裝形式：提供低剖面（1mm）SOT - 23（ThinSOT?）和2mm × 3mm DFN封裝，并且符合AEC - Q100汽車應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

LTC6993系列適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，包括看門狗定時(shí)器、頻率鑒別器、脈沖缺失檢測(cè)、包絡(luò)檢測(cè)、高振動(dòng)和高加速度環(huán)境以及便攜式和電池供電設(shè)備等。

二、工作原理

（一）脈沖寬度編程

LTC6993的核心是一個(gè)最小周期為1μs的主振蕩器，該振蕩器由SET引腳電流（ISET）和電壓（VSET）控制，轉(zhuǎn)換因子為1μs/50kΩ，典型條件下精度為±1.7%。主振蕩器的周期計(jì)算公式為： [t{MASTER }=frac{1 mu s}{50 k Omega} cdot frac{V{SET }}{I{SET }}] 反饋環(huán)路將VSET維持在1V ± 30mV，因此ISET成為控制脈沖寬度的主要手段。最簡(jiǎn)單的方法是在SET和GND引腳之間連接一個(gè)電阻RSET，使得(I{SET}=V{SET} / R{SET})，此時(shí)主振蕩器方程簡(jiǎn)化為： [t{MASTER }=1 mu s cdot frac{R{SET }}{50 k Omega}]

（二）脈沖寬度擴(kuò)展

LTC6993還包含一個(gè)可編程分頻器，可將頻率進(jìn)一步除以1、8、64、512、4096、(2^{15})、(2^{18})或(2^{21})，從而擴(kuò)展脈沖寬度。輸出脈沖寬度計(jì)算公式為： [t{OUT }=frac{N{DIV } cdot R_{SET }}{50 k Omega} cdot 1 mu s] 其中，NDIV為分頻器比值，由連接到DIV引腳的電阻分壓器設(shè)置。

（三）觸發(fā)與輸出

三、設(shè)計(jì)方法

（一）基本設(shè)計(jì)步驟

1. 選擇POL位設(shè)置：根據(jù)需要選擇輸出脈沖的極性，POL位是DIVCODE的最高位，任何(DIVCODE ≥8)時(shí)，(POL =1)，產(chǎn)生低電平有效脈沖。
2. 選擇LTC6993版本：根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的輸入極性（上升沿或下降沿）和重觸發(fā)能力。
3. 選擇NDIV分頻器值：根據(jù)所需的輸出脈沖寬度tOUT，選擇合適的NDIV值，滿足(frac{t{OUT }}{16 mu s} leq N{DIV } leq frac{t{OUT }}{1 mu s})。為了最小化電源電流，應(yīng)選擇最低的NDIV值，但在某些情況下，較高的NDIV值可能提供更好的精度。然后根據(jù)POL和NDIV選擇合適的DIVCODE，并使用表1選擇適當(dāng)?shù)碾娮璺謮浩骰?V{DIV } / V^{+})比值應(yīng)用于DIV引腳。
4. 計(jì)算并選擇RSET：使用公式(R{S E T}=frac{50 k}{1 mu s} cdot frac{t{OUT }}{N_{D I V}})計(jì)算RSET的值，并選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)電阻值。

（二）設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)一個(gè)滿足以下要求的單觸發(fā)電路：

• (t_{OUT }=100 mu s)
• 負(fù)輸出脈沖
• 上升沿觸發(fā)輸入
• 可重觸發(fā)輸入
• 最小功耗

1. 選擇POL位設(shè)置：為了產(chǎn)生反向（負(fù)）輸出脈沖，選擇(POL =1)。
2. 選擇LTC6993版本：上升沿可重觸發(fā)輸入需要LTC6993 - 2。
3. 選擇NDIV分頻器值：使用(t{OUT }=100 mu s)，根據(jù)公式(6.25 leq N{DIV} leq 100)，潛在的NDIV設(shè)置包括8和64。選擇(N{DIV }=8)，因?yàn)樗ㄟ^(guò)使用大的RSET電阻來(lái)最小化電源電流。(POL =1)和(N{DIV }=8)需要(DIVCODE =14)，使用表1，選擇(R 1 = 102k)和(R 2 = 976k)來(lái)編程(DIVCODE =14)。
4. 選擇RSET：使用公式(R_{SET}=frac{50 k}{1 mu s} cdot frac{100 mu s}{8}=625 k)，由于625k不是標(biāo)準(zhǔn)的1%電阻，如果(tOUT)有 - 0.97%的偏移是可以接受的，則選擇619k；否則，選擇309k和316k的并聯(lián)或串聯(lián)組合以獲得更精確的電阻。

四、典型應(yīng)用電路

（一）脈沖缺失檢測(cè)器

使用可重觸發(fā)的單觸發(fā)電路，輸出反相。只要在(t_{OUT }=64 mu s)內(nèi)發(fā)生重觸發(fā)，輸出就保持低電平。

（二）無(wú)線電控制伺服參考脈沖發(fā)生器

用于產(chǎn)生1.5ms的參考脈沖，幀速率為20ms。

（三）脈沖延遲發(fā)生器

可實(shí)現(xiàn)脈沖的延遲輸出，例如將10μs的輸入脈沖延遲100μs輸出。

（四）RC伺服脈沖發(fā)生器控制的重觸發(fā)鎖定時(shí)間間隔

用于控制重觸發(fā)的鎖定時(shí)間間隔，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（五）帶復(fù)位的階梯發(fā)生器

在沒(méi)有脈沖輸入時(shí)，1.5ms后自動(dòng)復(fù)位，產(chǎn)生階梯信號(hào)。

（六）脈沖展寬器

可根據(jù)輸入脈沖寬度產(chǎn)生成比例的斜坡電壓，實(shí)現(xiàn)脈沖展寬。

（七）導(dǎo)通時(shí)間可編程的脈沖電磁閥驅(qū)動(dòng)器

控制電磁閥的導(dǎo)通時(shí)間，例如實(shí)現(xiàn)5秒的導(dǎo)通時(shí)間。

（八）安全超時(shí)繼電器驅(qū)動(dòng)器

在輸入脈沖丟失后，定時(shí)（5s）關(guān)閉繼電器，確保系統(tǒng)安全。

五、注意事項(xiàng)

（一）ISET范圍

ISET應(yīng)在1.25μA至20μA范圍內(nèi)，以確保主振蕩器在62.5kHz至1MHz的最精確范圍內(nèi)工作。當(dāng)(I_{SET}<1.25 mu A)時(shí)，振蕩器精度會(huì)降低，約500nA時(shí)振蕩器停止；不建議主振蕩器工作超過(guò)2MHz，否則DIV引腳ADC的精度會(huì)受到影響。

（二）建立時(shí)間

ISET發(fā)生2倍或0.5倍階躍變化后，輸出脈沖寬度大約需要六個(gè)主時(shí)鐘周期（(6 cdot t_{MASTER })）才能穩(wěn)定到最終值的±1%以內(nèi)。

（三）耦合誤差

SET引腳對(duì)數(shù)字信號(hào)（如TRIG輸入）的耦合敏感，PCB布局應(yīng)避免將SET與TRIG（或其他快速邊沿、寬擺幅信號(hào)）相鄰布線，以減少耦合誤差。

（四）電源旁路和PCB布局

為了確保LTC6993的性能，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娫磁月泛秃侠淼腜CB布局。例如，將旁路電容C1直接連接到(V^{+})和GND引腳，使用低電感路徑；將所有無(wú)源元件放置在電路板的頂層；將RSET盡可能靠近SET引腳并進(jìn)行直接、短連接等。

LTC6993系列單穩(wěn)態(tài)脈沖發(fā)生器以其寬脈沖寬度范圍、高精度、多種觸發(fā)和重觸發(fā)選項(xiàng)等特性，為電子工程師提供了一個(gè)靈活、可靠的脈沖信號(hào)產(chǎn)生解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的版本和參數(shù)，并注意相關(guān)的注意事項(xiàng)，以確保電路的性能和穩(wěn)定性。大家在使用LTC6993的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到過(guò)一些特別的問(wèn)題或者有獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。