LTC6993系列單穩態脈沖發生器：功能特性與設計應用解析

在電子設計領域，單穩態脈沖發生器是一種常用的電路元件，可用于產生精確的脈沖信號，在眾多應用場景中發揮著重要作用。今天，我們將深入探討凌力爾特（現ADI）的LTC6993系列單穩態脈沖發生器，詳細介紹其特性、工作原理、設計方法以及典型應用。

文件下載：LTC6993HS6-4#TRMPBF.pdf

一、LTC6993系列概述

LTC6993是TimerBlox?家族中的一員，是一款可編程單穩態多諧振蕩器（也稱為“單觸發”脈沖發生器），脈沖寬度范圍為1μs至33.6秒。該系列提供四種不同版本（LTC6993 - 1、LTC6993 - 2、LTC6993 - 3、LTC6993 - 4），可根據不同的觸發信號極性和重觸發能力進行選擇。

（一）主要特性

1. 寬脈沖寬度范圍：脈沖寬度范圍從1μs到33.6秒，可通過1至3個電阻進行配置，滿足不同應用的需求。
2. 高精度脈沖寬度：脈沖寬度誤差小，對于脈沖寬度大于512μs，最大誤差小于2.3%；8μs至512μs，誤差小于3.4%；1μs至8μs，誤差小于4.9%。
3. 多種觸發和重觸發選項：提供上升沿或下降沿觸發，可選擇可重觸發或不可重觸發版本，增加了設計的靈活性。
4. 可配置輸出脈沖極性：可配置為正輸出脈沖或負輸出脈沖。
5. 低功耗與快速恢復：采用2.25V至5.5V單電源供電，在10μs脈沖寬度時電源電流為70μA，恢復時間快，啟動時間為500μs。
6. 高驅動能力與寬溫度范圍：CMOS輸出驅動器可提供/吸收20mA電流，工作溫度范圍為 - 55°C至125°C，適用于各種惡劣環境。
7. 多種封裝形式：提供低剖面（1mm）SOT - 23（ThinSOT?）和2mm × 3mm DFN封裝，并且符合AEC - Q100汽車應用標準。

（二）應用領域

LTC6993系列適用于多種應用場景，包括看門狗定時器、頻率鑒別器、脈沖缺失檢測、包絡檢測、高振動和高加速度環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的核心是一個最小周期為1μs的主振蕩器，該振蕩器由SET引腳電流（ISET）和電壓（VSET）控制，轉換因子為1μs/50kΩ，典型條件下精度為±1.7%。主振蕩器的周期計算公式為： [t{MASTER }=frac{1 mu s}{50 k Omega} cdot frac{V{SET }}{I{SET }}] 反饋環路將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引腳之間連接一個電阻RSET，使得(I{SET}=V{SET} / R{SET})，此時主振蕩器方程簡化為： [t{MASTER }=1 mu s cdot frac{R{SET }}{50 k Omega}]

（二）脈沖寬度擴展

LTC6993還包含一個可編程分頻器，可將頻率進一步除以1、8、64、512、4096、(2^{15})、(2^{18})或(2^{21})，從而擴展脈沖寬度。輸出脈沖寬度計算公式為： [t{OUT }=frac{N{DIV } cdot R_{SET }}{50 k Omega} cdot 1 mu s] 其中，NDIV為分頻器比值，由連接到DIV引腳的電阻分壓器設置。

（三）觸發與輸出

三、設計方法

（一）基本設計步驟

1. 選擇POL位設置：根據需要選擇輸出脈沖的極性，POL位是DIVCODE的最高位，任何(DIVCODE ≥8)時，(POL =1)，產生低電平有效脈沖。
2. 選擇LTC6993版本：根據應用需求選擇合適的輸入極性（上升沿或下降沿）和重觸發能力。
3. 選擇NDIV分頻器值：根據所需的輸出脈沖寬度tOUT，選擇合適的NDIV值，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值可能提供更好的精度。然后根據POL和NDIV選擇合適的DIVCODE，并使用表1選擇適當的電阻分壓器或(V{DIV } / V^{+})比值應用于DIV引腳。
4. 計算并選擇RSET：使用公式(R{S E T}=frac{50 k}{1 mu s} cdot frac{t{OUT }}{N_{D I V}})計算RSET的值，并選擇最接近的標準電阻值。

（二）設計實例

設計一個滿足以下要求的單觸發電路：

• (t_{OUT }=100 mu s)
• 負輸出脈沖
• 上升沿觸發輸入
• 可重觸發輸入
• 最小功耗

1. 選擇POL位設置：為了產生反向（負）輸出脈沖，選擇(POL =1)。
2. 選擇LTC6993版本：上升沿可重觸發輸入需要LTC6993 - 2。
3. 選擇NDIV分頻器值：使用(t{OUT }=100 mu s)，根據公式(6.25 leq N{DIV} leq 100)，潛在的NDIV設置包括8和64。選擇(N{DIV }=8)，因為它通過使用大的RSET電阻來最小化電源電流。(POL =1)和(N{DIV }=8)需要(DIVCODE =14)，使用表1，選擇(R 1 = 102k)和(R 2 = 976k)來編程(DIVCODE =14)。
4. 選擇RSET：使用公式(R_{SET}=frac{50 k}{1 mu s} cdot frac{100 mu s}{8}=625 k)，由于625k不是標準的1%電阻，如果(tOUT)有 - 0.97%的偏移是可以接受的，則選擇619k；否則，選擇309k和316k的并聯或串聯組合以獲得更精確的電阻。

四、典型應用電路

（一）脈沖缺失檢測器

使用可重觸發的單觸發電路，輸出反相。只要在(t_{OUT }=64 mu s)內發生重觸發，輸出就保持低電平。

（二）無線電控制伺服參考脈沖發生器

用于產生1.5ms的參考脈沖，幀速率為20ms。

（三）脈沖延遲發生器

可實現脈沖的延遲輸出，例如將10μs的輸入脈沖延遲100μs輸出。

（四）RC伺服脈沖發生器控制的重觸發鎖定時間間隔

用于控制重觸發的鎖定時間間隔，確保系統的穩定性。

（五）帶復位的階梯發生器

在沒有脈沖輸入時，1.5ms后自動復位，產生階梯信號。

（六）脈沖展寬器

可根據輸入脈沖寬度產生成比例的斜坡電壓，實現脈沖展寬。

（七）導通時間可編程的脈沖電磁閥驅動器

控制電磁閥的導通時間，例如實現5秒的導通時間。

（八）安全超時繼電器驅動器

在輸入脈沖丟失后，定時（5s）關閉繼電器，確保系統安全。

五、注意事項

（一）ISET范圍

ISET應在1.25μA至20μA范圍內，以確保主振蕩器在62.5kHz至1MHz的最精確范圍內工作。當(I_{SET}<1.25 mu A)時，振蕩器精度會降低，約500nA時振蕩器停止；不建議主振蕩器工作超過2MHz，否則DIV引腳ADC的精度會受到影響。

（二）建立時間

ISET發生2倍或0.5倍階躍變化后，輸出脈沖寬度大約需要六個主時鐘周期（(6 cdot t_{MASTER })）才能穩定到最終值的±1%以內。

（三）耦合誤差

SET引腳對數字信號（如TRIG輸入）的耦合敏感，PCB布局應避免將SET與TRIG（或其他快速邊沿、寬擺幅信號）相鄰布線，以減少耦合誤差。

（四）電源旁路和PCB布局

為了確保LTC6993的性能，應進行適當的電源旁路和合理的PCB布局。例如，將旁路電容C1直接連接到(V^{+})和GND引腳，使用低電感路徑；將所有無源元件放置在電路板的頂層；將RSET盡可能靠近SET引腳并進行直接、短連接等。

LTC6993系列單穩態脈沖發生器以其寬脈沖寬度范圍、高精度、多種觸發和重觸發選項等特性，為電子工程師提供了一個靈活、可靠的脈沖信號產生解決方案。在實際設計中，我們需要根據具體應用需求選擇合適的版本和參數，并注意相關的注意事項，以確保電路的性能和穩定性。大家在使用LTC6993的過程中，有沒有遇到過一些特別的問題或者有獨特的應用經驗呢？歡迎在評論區分享交流。