深入解析LM2907和LM2917頻率到電壓轉(zhuǎn)換器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，頻率到電壓轉(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)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量、頻率檢測(cè)等眾多場(chǎng)景。今天，我們就來詳細(xì)探討一下德州儀器（TI）推出的LM2907和LM2917頻率到電壓轉(zhuǎn)換器。

文件下載：LM2917N NOPB.pdf

一、器件概述

LM2907和LM2917是單片式頻率到電壓轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成了一個(gè)高增益運(yùn)算放大器。當(dāng)輸入頻率達(dá)到或超過選定的速率時(shí)，該運(yùn)算放大器可驅(qū)動(dòng)繼電器、指示燈或其他負(fù)載。這兩款器件采用電荷泵技術(shù)，具備頻率加倍功能以降低紋波，并且在兩種版本（8引腳的LM2907和LM2917）中提供了全面的輸入保護(hù)，當(dāng)輸入頻率為零時(shí)，其輸出可擺至地電位。

二、主要特性

（一）高集成與多功能

• 集成高增益運(yùn)放：運(yùn)算放大器的輸出為浮動(dòng)晶體管，可提供高達(dá)50 mA的灌電流或拉電流，能夠輕松驅(qū)動(dòng)繼電器、螺線管、儀表或LED等負(fù)載。其集電極電壓可高于$V{CC}$，最大$V{CE}$可達(dá)28 V。
• 頻率加倍功能：可有效降低輸出電壓的紋波，提高輸出的穩(wěn)定性。
• 內(nèi)置遲滯特性：轉(zhuǎn)速計(jì)具有內(nèi)置遲滯功能，無論是差分輸入還是接地參考輸入，都能提供良好的抗干擾能力。

（二）高精度與高可靠性

• 出色的線性度：典型線性度可達(dá)±0.3%，能夠準(zhǔn)確地將輸入頻率轉(zhuǎn)換為電壓輸出。
• 全面的保護(hù)機(jī)制：接地參考轉(zhuǎn)速計(jì)完全免受$V_{CC}$以上和地電位以下電壓擺動(dòng)的損壞，確保了器件在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性。

（三）靈活的配置選項(xiàng)

• 兩種基本配置：提供8引腳器件，其轉(zhuǎn)速計(jì)輸入為接地參考，并且轉(zhuǎn)速計(jì)輸出與運(yùn)算放大器同相輸入之間存在內(nèi)部連接，適用于單速或頻率切換以及全緩沖頻率到電壓轉(zhuǎn)換應(yīng)用。

三、引腳配置與功能

（一）8引腳器件

（二）14引腳器件

四、詳細(xì)工作原理

（一）信號(hào)處理

LM29x7頻率到電壓轉(zhuǎn)換器具有兩個(gè)獨(dú)立的輸入來監(jiān)測(cè)信號(hào)。在8引腳器件中，其中一個(gè)輸入內(nèi)部接地，因此監(jiān)測(cè)另一個(gè)輸入的過零點(diǎn)；在14引腳器件中，兩個(gè)輸入均為開放狀態(tài)，檢測(cè)差分電壓的極性變化。輸入比較器輸出與輸入頻率相同的方波。

（二）電荷泵機(jī)制

采用電荷泵系統(tǒng)將方波頻率轉(zhuǎn)換為電壓。在輸入信號(hào)的每個(gè)正半周期開始時(shí)，180 μA的恒流源對(duì)電容C1充電，使其電壓升高$V{CC}/2$；在負(fù)半周期開始時(shí)，恒流源對(duì)電容C1放電，使其電壓降低$V{CC}/2$。這種充放電過程產(chǎn)生與輸入信號(hào)頻率相同的電流脈沖，電荷泵將這些電流脈沖鏡像為正電流脈沖，流入電阻R1和電容C2的并聯(lián)組合。因此，輸出電壓為$V{OUT}=I3(avg)×R1$，其中$I3(avg)=V{CC}×f_{IN}×C1$。

五、應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

（一）最小元件轉(zhuǎn)速計(jì)

這是一種常用的應(yīng)用電路，主要由電容C1、電阻R1、電容C2和負(fù)載電阻Rload組成。

• C1的選擇：C1由180 μA的典型電流源在每個(gè)周期進(jìn)行充放電。較小的電容值可以更快地充電，從而提高最大可讀頻率，但會(huì)降低給定頻率下的輸出電壓。為了保證內(nèi)部補(bǔ)償，C1的取值不應(yīng)低于500 pF。
• R1的選擇：R1用于將內(nèi)部電荷泵產(chǎn)生的電流脈沖轉(zhuǎn)換為輸出電壓。較大的R1值可以提高給定頻率下的輸出電壓，但過大的值會(huì)降低輸出的線性度。在最大輸入頻率下，脈沖序列的占空比為100%，平均電流為180 μA，因此$R1 = V_{O(max)} / 180 μA$。
• C2的選擇：C2用于過濾電荷泵產(chǎn)生的電流脈沖所引起的紋波。較大的C2值可以降低輸出電壓紋波，但會(huì)增加輸出對(duì)輸入頻率變化的響應(yīng)時(shí)間。
• Rload的選擇：負(fù)載電阻Rload必須足夠大，以確保在最大輸出電壓下，電流不超過額定值50 mA。

（二）其他應(yīng)用電路

除了最小元件轉(zhuǎn)速計(jì)，LM2907和LM2917還可以應(yīng)用于多種電路中，如速度開關(guān)、電容計(jì)、頻率到電壓轉(zhuǎn)換器帶2極點(diǎn)巴特沃斯濾波器以降低紋波等。這些應(yīng)用電路充分展示了該器件的靈活性和多功能性。

六、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（一）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。對(duì)于8引腳的LM2907和LM2917，轉(zhuǎn)速計(jì)輸入可以承受±28 V的電壓；而LM2907和LM2917的轉(zhuǎn)速計(jì)輸入雖然都可用，但需要注意輸入保護(hù)，避免輸入電壓超出電源電壓范圍。

（二）布局設(shè)計(jì)

• 旁路電容：旁路電容應(yīng)盡可能靠近電源引腳放置，對(duì)于通孔封裝，可將旁路電容放置在底層。
• 元件布局：所有其他元件應(yīng)盡可能靠近器件放置，以減少寄生參數(shù)的影響。
• 接地平面：建議使用接地平面，以提供低阻抗的接地路徑。
• 反饋回路：反饋回路應(yīng)使用短而寬的走線，以降低信號(hào)干擾。

七、總結(jié)

LM2907和LM2917頻率到電壓轉(zhuǎn)換器以其豐富的特性、靈活的配置和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為電子工程師在頻率到電壓轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇器件的配置和外部元件參數(shù)，并注意布局設(shè)計(jì)，以確保電路的性能和可靠性。希望通過本文的介紹，能幫助大家更好地理解和應(yīng)用這兩款優(yōu)秀的器件。