LTC6993系列：多功能單穩(wěn)態(tài)脈沖發(fā)生器的設計與應用

在電子工程師的日常設計中，脈沖發(fā)生器是一種常見且關鍵的電路元件。今天，我們就來深入探討一下凌力爾特（現(xiàn)ADI）的LTC6993系列單穩(wěn)態(tài)脈沖發(fā)生器，它在眾多應用場景中都能發(fā)揮出色的性能。

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一、LTC6993系列概述

LTC6993是TimerBlox系列中的一員，是一款可編程脈沖寬度范圍在1μs到33.6秒之間的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（也稱為“單穩(wěn)態(tài)脈沖發(fā)生器”）。它有四個版本（LTC6993 - 1、LTC6993 - 2、LTC6993 - 3、LTC6993 - 4）可供選擇，能滿足不同的觸發(fā)信號極性和重觸發(fā)需求。

（一）主要特性

1. 脈沖寬度范圍廣：從1μs到33.6秒，可通過1到3個電阻進行配置，能適應多種不同的應用場景。
2. 高精度：脈沖寬度誤差小，對于脈沖寬度大于512μs的情況，誤差小于2.3%；8μs到512μs時，誤差小于3.4%；1μs到8μs時，誤差小于4.9%。
3. 靈活的觸發(fā)和輸出配置：支持上升沿或下降沿觸發(fā)，可配置為重觸發(fā)或非重觸發(fā)模式，還能輸出正脈沖或負脈沖。
4. 低功耗與寬電壓范圍：單電源供電范圍為2.25V到5.5V，在10μs脈沖寬度時，電源電流僅70μA，啟動時間為500μs。
5. 強大的輸出驅動能力：CMOS輸出驅動器可提供或吸收20mA電流。
6. 寬工作溫度范圍：從 - 55°C到125°C，適用于各種惡劣環(huán)境。
7. 多種封裝形式：提供低外形（1mm）SOT - 23（ThinSOT?）和2mm × 3mm DFN封裝，方便不同的PCB布局需求。
8. 汽車級認證：經(jīng)過AEC - Q100認證，可用于汽車應用。

（二）典型應用

LTC6993系列在多個領域都有廣泛的應用，如看門狗定時器、頻率鑒別器、缺失脈沖檢測、包絡檢測、高振動和高加速度環(huán)境以及便攜式和電池供電設備等。

二、工作原理

（一）脈沖寬度編程

LTC6993的核心是一個主振蕩器，其最小周期為1μs。通過SET引腳電流（ISET）控制振蕩器，轉換因子為1μs/50kΩ，在典型條件下精度可達±1.7%。反饋回路將SET引腳電壓（VSET）維持在1V ± 30mV，因此ISET成為控制脈沖寬度的主要手段。最簡單的方法是在SET和GND之間連接一個電阻RSET，使得(I{SET}=V{SET} / R{SET})，主振蕩器周期公式可簡化為(t{MASTER }=1 mu s cdot frac{R_{SET }}{50 k Omega})。

輸出脈沖寬度由主振蕩器和可編程時鐘分頻器NDiv共同決定，公式為(t{OUT }=frac{N{DIV } cdot R_{SET}}{50 k Omega} cdot 1 mu s)，其中NDiv可設置為1、8、64、512、4096、(2^{15})、(2^{18})、(2^{21})。

（二）觸發(fā)與輸出

（三）DIVCODE編程

DIV引腳連接到一個內部的、與V + 參考的4位A/D轉換器，用于確定DIVCODE值。DIVCODE主要有兩個作用：一是確定分頻器設置NDiv；二是通過POL位確定OUT引腳的極性。VDIV可通過V + 和GND之間的電阻分壓器產(chǎn)生，使用1%的電阻可確保結果準確。

三、電氣特性

LTC6993的電氣特性在不同的工作條件下都有詳細的規(guī)定。例如，輸出脈沖寬度范圍為1μs到33.55秒，脈沖寬度精度在不同的NDiv和脈沖寬度下有所不同。電源電壓范圍為2.25V到5.5V，不同的電源電壓和負載條件下，電源電流也會有所變化。此外，還規(guī)定了輸入輸出引腳的電壓、電流、電容等參數(shù)，以及觸發(fā)傳播延遲、恢復時間等時間參數(shù)。

四、典型性能曲線

文檔中給出了大量的典型性能曲線，展示了LTC6993在不同條件下的性能表現(xiàn)。例如，輸出脈沖寬度漂移與溫度、電源電壓的關系，輸出脈沖寬度誤差與RSET、DIVCODE的關系，電源電流與電源電壓、溫度、TRIG引腳電壓、tOUT的關系等。這些曲線對于工程師在設計時評估和優(yōu)化電路性能非常有幫助。

五、設計與應用

（一）基本設計步驟

使用LTC6993進行設計時，可按照以下四個步驟進行：

1. 選擇POL位設置：根據(jù)需要選擇輸出脈沖為正脈沖還是負脈沖，POL位為DIVCODE的最高位，DIVCODE ≥ 8時，POL = 1，輸出低電平有效脈沖。
2. 選擇LTC6993版本：根據(jù)TRIG輸入是上升沿還是下降沿，以及是否需要重觸發(fā)功能，從四個版本中選擇合適的器件。
3. 選擇NDiv頻率分頻器值：根據(jù)所需的輸出脈沖寬度tOUT，選擇合適的NDiv值，使其滿足(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，應選擇最低的NDiv值，但在某些情況下，較高的NDiv值可能會提供更好的精度。
4. 計算并選擇RSET：使用公式(R{SET}=frac{50 k}{1 mu s} cdot frac{t{OUT }}{N_{DIV}})計算RSET的值，然后選擇最接近的標準電阻值。

（二）電壓和數(shù)字控制脈沖寬度

除了基本的電阻編程方式，LTC6993還支持通過外部電壓或數(shù)字信號控制脈沖寬度。通過增加一個電阻，可利用外部電壓VCTRL來改變ISET電流，從而調制脈沖寬度。如果使用DAC產(chǎn)生控制電壓，并將VSET作為DAC的參考電壓，可消除VSET變化帶來的誤差。

（三）典型應用電路

文檔中給出了多個典型應用電路，如缺失脈沖檢測器、無線電控制伺服參考脈沖發(fā)生器、脈沖延遲發(fā)生器、RC伺服脈沖發(fā)生器、階梯發(fā)生器、脈沖展寬器、導通時間可編程脈沖電磁閥驅動器、安全超時繼電器驅動器等。這些電路展示了LTC6993在不同場景下的具體應用，工程師可以根據(jù)自己的需求進行參考和修改。

六、PCB布局和電源旁路

為了確保LTC6993的性能，正確的PCB布局和電源旁路非常重要。以下是一些建議：

1. 電源旁路電容：使用0.1μF的陶瓷電容C1，通過低電感路徑直接連接到V + 和GND引腳。對于DCB封裝，C1到GND的連接可在頂層完成；對于SOT - 23封裝，OUT可通過C1焊盤布線以實現(xiàn)良好的C1 GND連接，若PCB設計規(guī)則不允許，可通過多個過孔連接到接地層。
2. 元件放置：將所有無源元件放置在電路板的頂層，以最小化走線電感。
3. RSET連接：將RSET盡可能靠近SET引腳，并進行直接、短連接，以減少信號拾取。同時，使用接地走線屏蔽SET引腳。
4. DIV引腳連接：將R1和R2靠近DIV引腳放置，直接、短連接到DIV引腳可減少外部信號耦合。

七、總結

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、靈活的配置選項和低功耗等優(yōu)點，成為電子工程師在設計脈沖發(fā)生電路時的理想選擇。通過深入理解其工作原理、電氣特性和設計方法，并結合正確的PCB布局和電源旁路措施，工程師可以充分發(fā)揮LTC6993的性能，實現(xiàn)各種復雜的應用。大家在實際設計中遇到過哪些關于脈沖發(fā)生器的問題呢？歡迎在評論區(qū)交流分享。