LM2907和LM2917頻率 - 電壓轉換器：特性、應用與設計指南

一、引言

在電子設計領域，頻率 - 電壓轉換器是一種非常實用的器件，它能夠將輸入信號的頻率轉換為對應的電壓輸出，廣泛應用于速度檢測、頻率測量等眾多場景。今天我們要深入探討的是德州儀器（TI）的LM2907和LM2917頻率 - 電壓轉換器，這兩款器件具有一系列出色的特性和豐富的應用場景，下面就讓我們一起來詳細了解一下。

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：具有接地參考的轉速計輸入接口，可直接與可變磁阻式磁傳感器連接。轉速計有內置遲滯功能，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：運算放大器的輸出為浮動晶體管，可提供50 - mA的灌電流或拉電流，足以驅動繼電器、螺線管、儀表或LED等負載，具有很強的負載驅動能力。

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，提高輸出的穩定性。
• 線性度：典型線性度可達±0.3%，能保證在較寬的頻率范圍內實現精確的頻率 - 電壓轉換。

2.3 保護與穩定性特性

• 輸入保護：接地參考的轉速計具有全面的保護功能，能防止因電壓波動超過(V_{CC})和低于地電位而造成損壞，增強了器件的可靠性。
• 輸出特性：當輸入頻率為零時，輸出電壓可擺動至地電位，方便在零頻率輸入時進行信號處理。
• 穩壓功能：芯片上的齊納穩壓器（LM2917）可實現精確穩定的頻率 - 電壓或電流轉換，確保輸出的準確性和穩定性。

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)，通過簡單的公式即可計算輸出電壓，便于工程師進行設計和調試。

三、應用場景

3.1 速度檢測與控制

• 超速和欠速檢測：可用于監測設備的轉速，當轉速超過或低于設定值時，輸出相應的信號，實現對設備的保護和控制。
• 速度表和調速器：在汽車、工業設備等領域，可作為速度表的核心部件，將轉速轉換為電壓信號進行顯示；也可用于調速器，實現對設備速度的精確控制。

3.2 汽車應用

• 巡航控制：通過監測車輛的行駛速度，實現對發動機油門的自動控制，保持車輛以設定的速度行駛。
• 門鎖控制、離合器控制和喇叭控制：根據車輛的運行狀態，如車速、擋位等，控制門鎖的開啟和關閉、離合器的接合和分離以及喇叭的鳴響。

3.3 其他應用

• 頻率 - 電壓轉換：可作為通用的頻率 - 電壓轉換器，應用于各種需要將頻率信號轉換為電壓信號的場合。
• 觸摸或聲音開關：通過檢測觸摸或聲音信號的頻率變化，實現開關的控制。

四、器件描述

4.1 工作原理

LM2907和LM2917采用電荷泵技術，當輸入頻率達到或超過選定的速率時，高增益運算放大器可驅動繼電器、燈或其他負載。輸入信號經過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換為電壓。具體來說，在輸入信號的每個正半周期開始時，一個180 - μA的恒定電流對電容C1充電，使其電壓升高(V{CC} / 2)；在負半周期開始時，該電流對電容C1放電，使其電壓降低(V{CC} / 2)。這樣就產生了與輸入信號頻率相同的電流脈沖，經過電阻R1和電容C2的濾波后，得到穩定的輸出電壓(V{O}=R 1 × C 1 × V{C C} × f)。

4.2 基本配置

• 8 - 引腳器件：具有接地參考的轉速計輸入，轉速計輸出與運算放大器的同相輸入內部連接，適用于單速或頻率切換以及全緩沖頻率 - 電壓轉換應用。
• 差分輸入配置：提供差分轉速計輸入和未連接的運算放大器輸入，轉速計輸入可浮動，運算放大器適合對轉速計輸出進行有源濾波調理。

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、規格參數

6.1 絕對最大額定值

• 電源電壓：最大為28 V。
• 電源電流（齊納選項）：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

不同封裝的器件具有不同的熱阻參數，如結 - 環境熱阻(R{θJA})、結 - 外殼（頂部）熱阻(R{θJC(top)})等，具體數值可參考文檔中的表格。這些參數對于評估器件的散熱性能和進行熱設計非常重要。

6.5 電氣特性

• 轉速計特性：輸入閾值、遲滯、失調電壓、輸入偏置電流等參數都有明確的指標，典型的線性度為±0.3%。
• 運算放大器和比較器特性：輸入失調電壓、偏置電流、電壓增益、輸出灌電流和源電流等參數也有相應的規定。
• 齊納穩壓器特性：穩壓器電壓、串聯電阻、溫度穩定性等參數確保了齊納穩壓器的性能。

七、詳細設計與應用

7.1 設計原理

在設計使用LM2907和LM2917的電路時，需要考慮輸入信號的特性、輸出負載的要求以及器件的參數限制。例如，在選擇時間常數(R1 × C1)時，要確保在(I_{3} times) R1的情況下，能夠達到CP2/IN +引腳的最大預期輸出電壓。同時，C2的大小會影響輸出電壓的紋波和響應時間，需要根據實際需求進行選擇。

7.2 典型應用電路

7.2.1 最小元件轉速計

這是一種常見的應用電路，通過合理選擇C1、R1、C2和Rload等元件的值，可以實現精確的頻率 - 電壓轉換。C1的大小會影響最大可讀頻率和輸出電壓，R1的大小會影響輸出電壓和線性度，C2用于濾波，Rload要確保在最大輸出電壓時，電流不超過額定值。

7.2.2 其他應用電路

還包括速度開關、頻率 - 電壓轉換器、電容計、觸摸或聲音開關等多種應用電路。這些電路各有特點，可根據具體的應用場景進行選擇和設計。例如，速度開關電路可用于監測設備的轉速，當轉速達到或超過設定值時，觸發負載開關；頻率 - 電壓轉換器可將輸入頻率轉換為相應的電壓輸出，用于頻率測量和顯示。

7.3 注意事項

• 電源供應：該系列器件設計用于最高28 V的電源電壓，但在使用時需要注意輸入電壓的范圍和穩定性。對于8 - 引腳的LM2907和LM2917，轉速計輸入可承受±28 V的電壓；而對于具有差分輸入的器件，需要額外注意輸入保護，避免輸入電壓超出電源電壓范圍。
• 布局設計：旁路電容應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，反饋回路應使用短而寬的走線，以減少干擾和信號損耗。合理的布局設計對于提高電路的性能和穩定性至關重要。

八、總結

LM2907和LM2917頻率 - 電壓轉換器具有豐富的特性和廣泛的應用場景，為工程師在頻率 - 電壓轉換和速度檢測等領域提供了強大的工具。在設計過程中，工程師需要根據具體的應用需求，合理選擇器件的封裝、配置參數和外部元件，同時注意電源供應和布局設計等方面的問題，以確保電路的性能和穩定性。希望通過本文的介紹，能幫助工程師更好地理解和應用這兩款器件。你在使用這兩款器件的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和想法。