LM2907和LM2917頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)指南

一、引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換器是一種非常實(shí)用的器件，它能夠?qū)⑤斎?a target="_blank">信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓輸出，廣泛應(yīng)用于速度檢測(cè)、頻率測(cè)量等眾多場(chǎng)景。今天我們要深入探討的是德州儀器（TI）的LM2907和LM2917頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換器，這兩款器件具有一系列出色的特性和豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，下面就讓我們一起來(lái)詳細(xì)了解一下。

文件下載：LM2907MX-8 NOPB.pdf

二、器件特性

2.1 輸入與輸出特性

• 輸入接口：具有接地參考的轉(zhuǎn)速計(jì)輸入接口，可直接與可變磁阻式磁傳感器連接。轉(zhuǎn)速計(jì)有內(nèi)置遲滯功能，支持差分輸入或接地參考輸入，能有效提高抗干擾能力。
• 輸出能力：運(yùn)算放大器的輸出為浮動(dòng)晶體管，可提供50 - mA的灌電流或拉電流，足以驅(qū)動(dòng)繼電器、螺線(xiàn)管、儀表或LED等負(fù)載，具有很強(qiáng)的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。

2.2 頻率處理特性

• 頻率倍增：具備頻率倍增功能，可降低輸出紋波，提高輸出的穩(wěn)定性。
• 線(xiàn)性度：典型線(xiàn)性度可達(dá)±0.3%，能保證在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確的頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換。

2.3 保護(hù)與穩(wěn)定性特性

• 輸入保護(hù)：接地參考的轉(zhuǎn)速計(jì)具有全面的保護(hù)功能，能防止因電壓波動(dòng)超過(guò)(V_{CC})和低于地電位而造成損壞，增強(qiáng)了器件的可靠性。
• 輸出特性：當(dāng)輸入頻率為零時(shí)，輸出電壓可擺動(dòng)至地電位，方便在零頻率輸入時(shí)進(jìn)行信號(hào)處理。
• 穩(wěn)壓功能：芯片上的齊納穩(wěn)壓器（LM2917）可實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定的頻率 - 電壓或電流轉(zhuǎn)換，確保輸出的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2.4 易用性

該器件使用方便，輸出電壓(V{OUT }=f{I N} ×V_{C C} ×R 1 ×C 1)，通過(guò)簡(jiǎn)單的公式即可計(jì)算輸出電壓，便于工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。

三、應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 速度檢測(cè)與控制

• 超速和欠速檢測(cè)：可用于監(jiān)測(cè)設(shè)備的轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)或低于設(shè)定值時(shí)，輸出相應(yīng)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的保護(hù)和控制。
• 速度表和調(diào)速器：在汽車(chē)、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域，可作為速度表的核心部件，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行顯示；也可用于調(diào)速器，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備速度的精確控制。

3.2 汽車(chē)應(yīng)用

• 巡航控制：通過(guò)監(jiān)測(cè)車(chē)輛的行駛速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)的自動(dòng)控制，保持車(chē)輛以設(shè)定的速度行駛。
• 門(mén)鎖控制、離合器控制和喇叭控制：根據(jù)車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)，如車(chē)速、擋位等，控制門(mén)鎖的開(kāi)啟和關(guān)閉、離合器的接合和分離以及喇叭的鳴響。

3.3 其他應(yīng)用

• 頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換：可作為通用的頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用于各種需要將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的場(chǎng)合。
• 觸摸或聲音開(kāi)關(guān)：通過(guò)檢測(cè)觸摸或聲音信號(hào)的頻率變化，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的控制。

四、器件描述

4.1 工作原理

LM2907和LM2917采用電荷泵技術(shù)，當(dāng)輸入頻率達(dá)到或超過(guò)選定的速率時(shí)，高增益運(yùn)算放大器可驅(qū)動(dòng)繼電器、燈或其他負(fù)載。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器處理后輸出與輸入頻率相同的方波，電荷泵將方波的頻率轉(zhuǎn)換為電壓。具體來(lái)說(shuō)，在輸入信號(hào)的每個(gè)正半周期開(kāi)始時(shí)，一個(gè)180 - μA的恒定電流對(duì)電容C1充電，使其電壓升高(V{CC} / 2)；在負(fù)半周期開(kāi)始時(shí)，該電流對(duì)電容C1放電，使其電壓降低(V{CC} / 2)。這樣就產(chǎn)生了與輸入信號(hào)頻率相同的電流脈沖，經(jīng)過(guò)電阻R1和電容C2的濾波后，得到穩(wěn)定的輸出電壓(V{O}=R 1 × C 1 × V{C C} × f)。

4.2 基本配置

• 8 - 引腳器件：具有接地參考的轉(zhuǎn)速計(jì)輸入，轉(zhuǎn)速計(jì)輸出與運(yùn)算放大器的同相輸入內(nèi)部連接，適用于單速或頻率切換以及全緩沖頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換應(yīng)用。
• 差分輸入配置：提供差分轉(zhuǎn)速計(jì)輸入和未連接的運(yùn)算放大器輸入，轉(zhuǎn)速計(jì)輸入可浮動(dòng)，運(yùn)算放大器適合對(duì)轉(zhuǎn)速計(jì)輸出進(jìn)行有源濾波調(diào)理。

五、引腳配置與功能

5.1 8 - 引腳PDIP和SOIC封裝

5.2 14 - 引腳PDIP和SOIC封裝

六、規(guī)格參數(shù)

6.1 絕對(duì)最大額定值

• 電源電壓：最大為28 V。
• 電源電流（齊納選項(xiàng)）：最大為25 mA。
• 集電極電壓：最大為28 V。
• 功耗：8 - 引腳器件最大為1200 mW，14 - 引腳器件最大為1580 mW。
• 工作溫度范圍：(-40^{circ}C)至(85^{circ}C)；存儲(chǔ)溫度范圍為(-65^{circ}C)至(150^{circ}C)。

6.2 ESD額定值

• 人體模型（HBM）：±1000 V。
• 帶電器件模型（CDM）：±250 V。

6.3 推薦工作條件

• 輸入電壓：8 - 引腳器件為(-28)至(28) V，14 - 引腳器件為0至(28) V。
• 輸出灌電流：最大為50 mA。

6.4 熱性能參數(shù)

不同封裝的器件具有不同的熱阻參數(shù)，如結(jié) - 環(huán)境熱阻(R{θJA})、結(jié) - 外殼（頂部）熱阻(R{θJC(top)})等，具體數(shù)值可參考文檔中的表格。這些參數(shù)對(duì)于評(píng)估器件的散熱性能和進(jìn)行熱設(shè)計(jì)非常重要。

6.5 電氣特性

• 轉(zhuǎn)速計(jì)特性：輸入閾值、遲滯、失調(diào)電壓、輸入偏置電流等參數(shù)都有明確的指標(biāo)，典型的線(xiàn)性度為±0.3%。
• 運(yùn)算放大器和比較器特性：輸入失調(diào)電壓、偏置電流、電壓增益、輸出灌電流和源電流等參數(shù)也有相應(yīng)的規(guī)定。
• 齊納穩(wěn)壓器特性：穩(wěn)壓器電壓、串聯(lián)電阻、溫度穩(wěn)定性等參數(shù)確保了齊納穩(wěn)壓器的性能。

七、詳細(xì)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

7.1 設(shè)計(jì)原理

在設(shè)計(jì)使用LM2907和LM2917的電路時(shí)，需要考慮輸入信號(hào)的特性、輸出負(fù)載的要求以及器件的參數(shù)限制。例如，在選擇時(shí)間常數(shù)(R1 × C1)時(shí)，要確保在(I_{3} times) R1的情況下，能夠達(dá)到CP2/IN +引腳的最大預(yù)期輸出電壓。同時(shí)，C2的大小會(huì)影響輸出電壓的紋波和響應(yīng)時(shí)間，需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

7.2 典型應(yīng)用電路

7.2.1 最小元件轉(zhuǎn)速計(jì)

這是一種常見(jiàn)的應(yīng)用電路，通過(guò)合理選擇C1、R1、C2和Rload等元件的值，可以實(shí)現(xiàn)精確的頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換。C1的大小會(huì)影響最大可讀頻率和輸出電壓，R1的大小會(huì)影響輸出電壓和線(xiàn)性度，C2用于濾波，Rload要確保在最大輸出電壓時(shí)，電流不超過(guò)額定值。

7.2.2 其他應(yīng)用電路

還包括速度開(kāi)關(guān)、頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換器、電容計(jì)、觸摸或聲音開(kāi)關(guān)等多種應(yīng)用電路。這些電路各有特點(diǎn)，可根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。例如，速度開(kāi)關(guān)電路可用于監(jiān)測(cè)設(shè)備的轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到或超過(guò)設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)負(fù)載開(kāi)關(guān)；頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換器可將輸入頻率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓輸出，用于頻率測(cè)量和顯示。

7.3 注意事項(xiàng)

• 電源供應(yīng)：該系列器件設(shè)計(jì)用于最高28 V的電源電壓，但在使用時(shí)需要注意輸入電壓的范圍和穩(wěn)定性。對(duì)于8 - 引腳的LM2907和LM2917，轉(zhuǎn)速計(jì)輸入可承受±28 V的電壓；而對(duì)于具有差分輸入的器件，需要額外注意輸入保護(hù)，避免輸入電壓超出電源電壓范圍。
• 布局設(shè)計(jì)：旁路電容應(yīng)盡可能靠近電源引腳放置，使用接地平面可提供低阻抗接地，反饋回路應(yīng)使用短而寬的走線(xiàn)，以減少干擾和信號(hào)損耗。合理的布局設(shè)計(jì)對(duì)于提高電路的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。

八、總結(jié)

LM2907和LM2917頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換器具有豐富的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，為工程師在頻率 - 電壓轉(zhuǎn)換和速度檢測(cè)等領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的工具。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇器件的封裝、配置參數(shù)和外部元件，同時(shí)注意電源供應(yīng)和布局設(shè)計(jì)等方面的問(wèn)題，以確保電路的性能和穩(wěn)定性。希望通過(guò)本文的介紹，能幫助工程師更好地理解和應(yīng)用這兩款器件。你在使用這兩款器件的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。