深入解析LTC6993系列：高性能單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，精準(zhǔn)且靈活的定時(shí)控制至關(guān)重要。LTC6993系列單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（也被稱為“單觸發(fā)脈沖發(fā)生器”）正是滿足這類需求的理想之選。它作為TimerBlox家族的一員，憑借其可精確編程的脈沖寬度和豐富的功能特性，廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。本文將詳細(xì)介紹LTC6993的特性、工作原理、應(yīng)用設(shè)計(jì)以及相關(guān)注意事項(xiàng)，希望能為電子工程師們在實(shí)際設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

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一、特性概述

可精確編程的脈沖寬度

LTC6993能夠?qū)崿F(xiàn)1μs至33.6秒的可編程脈沖寬度，通過單個(gè)電阻RSET設(shè)定內(nèi)部主振蕩器頻率，從而確定時(shí)間基準(zhǔn)。再結(jié)合可編程的內(nèi)部時(shí)鐘分頻器NDIV（有8種設(shè)置，從1到221），精準(zhǔn)控制輸出脈沖寬度。計(jì)算公式為：tOUT = NDIV ? (RSET / 50kΩ) ? 1μs 。這種設(shè)計(jì)方式為工程師提供了極大的靈活性，能滿足不同應(yīng)用場景下的脈沖寬度需求。

豐富的觸發(fā)選項(xiàng)

工程師可以根據(jù)實(shí)際需求，靈活選擇合適的型號。

其他特性

• 低誤差率：在不同的脈沖寬度范圍內(nèi)，誤差率得到了很好的控制。例如，脈沖寬度 > 512μs時(shí)，最大誤差 < 2.3%；脈沖寬度在8μs至512μs之間時(shí)，最大誤差 < 3.4%；脈沖寬度在1μs至8μs之間時(shí)，最大誤差 < 4.9% 。
• 寬電源電壓范圍：支持2.25V至5.5V的單電源操作，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 低功耗：在10μs脈沖寬度時(shí)，電源電流僅為70μA，適合電池供電的便攜式設(shè)備。
• 快速啟動(dòng)時(shí)間：啟動(dòng)時(shí)間僅為500μs，能快速進(jìn)入工作狀態(tài)。
• 強(qiáng)大的輸出驅(qū)動(dòng)能力：CMOS輸出驅(qū)動(dòng)器可源/灌20mA電流，能直接驅(qū)動(dòng)多種負(fù)載。
• 寬工作溫度范圍：工作溫度范圍為 - 55°C至125°C，可適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。
• 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。
• 汽車級應(yīng)用認(rèn)證：經(jīng)過AEC - Q100認(rèn)證，可用于汽車應(yīng)用，保證了在汽車環(huán)境中的可靠性。

二、工作原理

主振蕩器控制

LTC6993的核心是一個(gè)主振蕩器，其最小周期為1μs。振蕩器由SET引腳的電流（ISET）和電壓（VSET）控制，轉(zhuǎn)換因子為1μs/50kΩ，在典型條件下精度可達(dá) ±1.7%。通過反饋回路，VSET被維持在1V ±30mV，因此ISET成為控制脈沖寬度的主要因素。最簡單的方法是在SET和GND之間連接一個(gè)電阻RSET，使得ISET = VSET / RSET，此時(shí)主振蕩器的周期公式可簡化為：tMASTER = (1μs ? RSET) / 50kΩ 。

觸發(fā)與脈沖生成

當(dāng)TRIG引腳出現(xiàn)觸發(fā)信號（上升沿或下降沿，取決于具體型號）時(shí)，輸出被鎖存到有效狀態(tài)，開始輸出脈沖。同時(shí)，主振蕩器被啟用，用于計(jì)時(shí)輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間。當(dāng)達(dá)到所需的脈沖寬度時(shí)，主振蕩器重置輸出鎖存器，結(jié)束脈沖輸出。

可編程分頻器

LTC6993還包含一個(gè)可編程頻率分頻器，可將頻率進(jìn)一步除以1、8、64、512、4096、215、218或221，從而延長脈沖寬度。分頻比NDIV由連接到DIV引腳的電阻分壓器設(shè)置，最終輸出脈沖寬度的計(jì)算公式為：tOUT = NDIV ? (RSET / 50kΩ) ? 1μs 。

DIVCODE設(shè)置

DIV引腳連接到一個(gè)內(nèi)部的、以V + 為參考的4位A/D轉(zhuǎn)換器，用于確定DIVCODE值。DIVCODE主要有兩個(gè)作用：一是確定頻率分頻器的設(shè)置NDIV；二是通過POL位確定OUT引腳的極性。VDIV可以通過V + 和GND之間的電阻分壓器生成，使用1%的電阻可確保結(jié)果準(zhǔn)確。同時(shí)，要注意VDIV/V + 比率的精度需控制在 ±1.5%以內(nèi)，驅(qū)動(dòng)阻抗不超過500kΩ 。

三、應(yīng)用設(shè)計(jì)

基本操作設(shè)計(jì)步驟

1. 選擇POL位設(shè)置

根據(jù)需要生成正脈沖或負(fù)脈沖，選擇合適的POL位。當(dāng)DIVCODE ≥ 8時(shí)，POL = 1，輸出為低電平有效脈沖；否則，輸出為高電平有效脈沖。

2. 選擇LTC6993版本

根據(jù)觸發(fā)信號的極性（上升沿或下降沿）以及是否需要可重觸發(fā)功能，從四種型號中選擇合適的版本。

3. 選擇NDIV頻率分頻器值

對于給定的輸出脈沖寬度tOUT，NDIV應(yīng)滿足以下范圍：(tOUT / 16μs) ≤ NDIV ≤ (tOUT / 1μs) 。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值可能會(huì)提供更好的精度?？梢詤⒖急?來選擇合適的NDIV值和對應(yīng)的電阻分壓器設(shè)置。

4. 計(jì)算并選擇RSET

使用公式RSET = (50k / 1μs) ? (tOUT / NDIV) 計(jì)算RSET的值，并選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)電阻值。如果計(jì)算值不是標(biāo)準(zhǔn)電阻值，可以考慮使用并聯(lián)或串聯(lián)電阻來達(dá)到更精確的阻值。

示例設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)滿足以下要求的單觸發(fā)電路：tOUT = 100μs，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

為了得到負(fù)輸出脈沖，選擇POL = 1 。

2. 選擇LTC6993版本

上升沿可重觸發(fā)輸入需要選擇LTC6993 - 2 。

3. 選擇NDIV頻率分頻器值

根據(jù)公式(100μs / 16μs) ≤ NDIV ≤ (100μs / 1μs) ，NDIV的可能設(shè)置為8和64 。為了最小化電源電流，選擇NDIV = 8 。此時(shí)，POL = 1且NDIV = 8需要DIVCODE = 14 。根據(jù)表1，選擇R1 = 102k和R2 = 976k來設(shè)置DIVCODE = 14 。

4. 選擇RSET

使用公式RSET = (50k / 1μs) ? (100μs / 8) = 625k 。由于625k不是標(biāo)準(zhǔn)的1%電阻，如果允許 - 0.97%的tOUT偏移，可以選擇619k；否則，可以選擇309k和316k的并聯(lián)或串聯(lián)組合來獲得更精確的阻值。

電壓控制脈沖寬度

通過增加一個(gè)電阻RMOD，LTC6993的輸出脈沖寬度可以由外部電壓VCTRL控制。VCTRL通過RMOD源/灌電流，改變ISET電流，從而調(diào)制脈沖寬度。計(jì)算公式為：tOUT = (NDIV ? RMOD / 50kΩ) ? (1μs / (1 + (RMOD / RSET) - (VCTRL / VSET))) 。

數(shù)字脈沖寬度控制

可以使用DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）生成控制電壓，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的脈沖寬度。為了消除VSET的依賴性，可以緩沖VSET并將其用作DAC的參考電壓。

四、注意事項(xiàng)

ISET極端情況

當(dāng)ISET超出推薦的1.25μA至20μA范圍時(shí)，主振蕩器的頻率會(huì)超出62.5kHz至1MHz的最精確范圍。當(dāng)ISET < 1.25μA時(shí)，振蕩器仍可工作，但精度會(huì)降低；當(dāng)ISET約為500nA時(shí)，振蕩器會(huì)停止，輸出脈沖將持續(xù)到ISET增加且主振蕩器重新啟動(dòng)。同時(shí)，不建議將主振蕩器的頻率超過2MHz，因?yàn)檫@會(huì)影響DIV引腳ADC的精度。

建立時(shí)間

在ISET發(fā)生2×或0.5×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 ? tMASTER）才能穩(wěn)定到最終值的1%以內(nèi)。

耦合誤差

SET引腳的電流用于偏置內(nèi)部主振蕩器，LTC6993對ISET的變化響應(yīng)迅速，但這也使得SET引腳對數(shù)字信號（如TRIG輸入）的耦合敏感。即使是良好的布局也會(huì)存在一定的耦合，因此在NDIV = 1的精度規(guī)格中已經(jīng)考慮了這一額外誤差。PCB布局應(yīng)避免將SET與TRIG（或其他快速邊沿、寬擺幅信號）相鄰布線。

電源電流

在空閑狀態(tài)下，電源電流IS(IDLE)會(huì)隨著編程的tOUT和電源電壓而變化。觸發(fā)后，當(dāng)定時(shí)電路工作時(shí)，瞬時(shí)電源電流會(huì)增加到IS(ACTIVE) 。IS(ACTIVE) = IS(IDLE) + ?IS(ACTIVE) ，其中?IS(ACTIVE)取決于輸出占空比?？梢允褂帽?中的公式估算IS(IDLE)和?IS(ACTIVE) 。

電源旁路和PCB布局

為了確保LTC6993的性能，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娫磁月泛秃侠淼腜CB布局。具體建議如下：

• 直接使用低電感路徑將旁路電容C1連接到V + 和GND引腳。對于DCB封裝，C1與GND的連接可在頂層完成；對于SOT - 23封裝，如果PCB設(shè)計(jì)規(guī)則允許，OUT可以通過C1焊盤布線以實(shí)現(xiàn)良好的C1 GND連接。建議使用多個(gè)過孔將GND引腳和C1連接到接地平面，以最小化電感。C1應(yīng)選擇0.1μF的陶瓷電容。
• 將所有無源元件放置在電路板的頂層，以最小化走線電感。
• 將RSET盡可能靠近SET引腳，并進(jìn)行直接、短的連接，以減少信號拾取。
• 將RSET直接連接到GND引腳，雖然長路徑或過孔連接到接地平面對精度影響不大，但直接、短的連接是推薦的。
• 使用接地走線屏蔽SET引腳，以提供額外的輻射信號保護(hù)。
• 將R1和R2靠近DIV引腳放置，直接、短的連接可減少外部信號耦合。

五、典型應(yīng)用

LTC6993系列在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，以下是一些典型應(yīng)用示例：

缺失脈沖檢測器

使用可重觸發(fā)的單觸發(fā)電路，輸出反相。只要在tOUT = 64μs內(nèi)發(fā)生重觸發(fā)，輸出就保持低電平。

無線電控制伺服參考脈沖發(fā)生器

可生成1.5ms的參考脈沖，用于無線電控制伺服系統(tǒng)。

脈沖延遲發(fā)生器

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

脈沖展寬器

將輸入的1μs至10μs的脈沖寬度展寬。

可編程脈沖電磁閥驅(qū)動(dòng)器和安全超時(shí)繼電器驅(qū)動(dòng)器

可實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制，如控制電磁閥的開啟時(shí)間或在輸入脈沖丟失后進(jìn)行定時(shí)關(guān)閉。

六、總結(jié)

LTC6993系列單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器以其精確的脈沖寬度控制、豐富的功能特性和廣泛的應(yīng)用場景，為電子工程師提供了強(qiáng)大的定時(shí)解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體需求選擇合適的型號和參數(shù)，并注意ISET范圍、建立時(shí)間、耦合誤差、電源電流和PCB布局等方面的問題，以確保電路的性能和穩(wěn)定性。希望本文能幫助工程師更好地理解和應(yīng)用LTC6993系列產(chǎn)品，在實(shí)際設(shè)計(jì)中取得更好的效果。

你在使用LTC6993系列產(chǎn)品的過程中遇到過哪些問題？或者你對其應(yīng)用還有哪些疑問？歡迎在評論區(qū)留言討論。