探索LTC6993：多功能單穩態脈沖發生器的設計與應用

在電子設計的廣闊領域中，脈沖發生器是一種基礎且關鍵的電路元件，它在各種電子系統里都發揮著重要作用。今天，我們要深入探討的是凌力爾特（現ADI）公司推出的LTC6993系列單穩態脈沖發生器，它以其出色的性能和靈活的配置，為工程師們提供了豐富的設計可能性。

文件下載：LTC6993CS6-3#TRPBF.pdf

一、LTC6993系列概述

LTC6993屬于TimerBlox?家族的一員，是一款可編程單穩態多諧振蕩器（也被稱為“單觸發”脈沖發生器）。它的脈沖寬度范圍極廣，從1μs到33.6秒，能夠滿足不同應用場景下對脈沖寬度的需求。該系列共有四個型號，分別是LTC6993 - 1、LTC6993 - 2、LTC6993 - 3和LTC6993 - 4，它們在觸發信號極性和可重觸發能力方面有所不同，為設計提供了更多的靈活性。

1.1 主要特性

• 脈沖寬度范圍廣：1μs到33.6秒的脈沖寬度范圍，通過1到3個電阻即可完成配置。
• 高精度：不同脈沖寬度下的最大誤差控制在一定范圍內，如脈沖寬度大于512μs時，誤差小于2.3%。
• 靈活的觸發和輸出配置：支持上升沿或下降沿觸發，可配置為可重觸發或不可重觸發模式，還能輸出正脈沖或負脈沖。
• 低功耗和寬工作溫度范圍：單電源供電范圍為2.25V到5.5V，在10μs脈沖寬度下，供電電流僅70μA，工作溫度范圍為 - 55°C到125°C。
• 多種封裝形式：提供低外形（1mm）SOT - 23（ThinSOT?）和2mm × 3mm DFN封裝，滿足不同的應用需求。
• 汽車級應用認證：經過AEC - Q100認證，適用于汽車應用。

1.2 應用場景

LTC6993的應用十分廣泛，包括但不限于看門狗定時器、頻率鑒別器、缺失脈沖檢測、包絡檢測等。在高振動、高加速度環境以及便攜式和電池供電設備中，它也能穩定工作。

二、工作原理與配置

2.1 內部振蕩器與脈沖寬度控制

LTC6993圍繞一個最小周期為1μs的主振蕩器構建。主振蕩器的頻率由SET引腳的電流（ISET）和電壓（VSET）控制，轉換因子為1μs/50kΩ，在典型條件下精度可達±1.7%。通過在SET和GND引腳之間連接一個電阻（RSET），可以產生ISET電流，從而控制脈沖寬度。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 }}] 當使用單個編程電阻RSET時，VSET的漂移不會影響脈沖寬度，誤差主要來源于RSET的公差和LTC6993固有的脈沖寬度精度。

2.2 可編程分頻器

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。分頻比NDIV由連接到DIV引腳的電阻分壓器設置，輸出脈沖寬度的計算公式為： [t{OUT }=frac{N{DIV } cdot R_{SET }}{50 k Omega} cdot 1 mu s]

2.3 DIVCODE配置

DIV引腳連接到一個內部的、以V + 為參考的4位A/D轉換器，用于確定DIVCODE值。DIVCODE主要用于設置兩個參數：一是頻率分頻器的設置NDIV，二是OUT引腳的極性（通過POL位）。通過合理選擇電阻分壓器，可以準確設置DIVCODE值，進而實現對脈沖寬度和輸出極性的控制。

三、設計步驟與實例

3.1 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：根據需求確定輸出脈沖的極性，POL位是DIVCODE的最高有效位，當(DIVCODE ≥ 8)時，(POL = 1)，輸出低電平有效脈沖。
2. 選擇LTC6993型號：根據觸發信號的類型（上升沿或下降沿）和是否需要可重觸發功能，選擇合適的型號。
3. 選擇NDIV頻率分頻器值：根據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})。為了最小化供電電流，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：根據公式(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。

3.2 設計實例

假設我們要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

按照上述設計步驟：

1. 選擇POL位設置：為了獲得負輸出脈沖，選擇(POL = 1)。
2. 選擇LTC6993型號：上升沿可重觸發輸入需要選擇LTC6993 - 2。
3. 選擇NDIV頻率分頻器值：根據(t{OUT } = 100 mu s)，計算得到(6.25 leq N{DIV} leq 100)，可選的設置包括8和64。為了最小化供電電流，選擇(N{DIV } = 8)，此時(POL = 1)且(N{DIV } = 8)需要(DIVCODE = 14)。根據表1，選擇(R1 = 102k)和(R2 = 976k)來設置(DIVCODE = 14)。
4. 選擇RSET：根據公式計算(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，如果允許(tOUT)有 - 0.97%的偏移，可以選擇619k；否則，可以選擇309k和316k的并聯或串聯組合來獲得更精確的電阻值。

四、電壓控制與其他特性

4.1 電壓控制的脈沖寬度

通過添加一個額外的電阻，LTC6993的輸出脈沖寬度可以由外部電壓控制。外部電壓VCTRL通過電阻RMOD來改變ISET電流，從而調制脈沖寬度，計算公式為： [t{OUT }=frac{N{DIV } cdot R{MOD}}{50 k Omega} cdot frac{1 mu s}{1+frac{R{MOD}}{R{SET }}-frac{V{CTRL }}{V_{SET }}}]

4.2 數字脈沖寬度控制

控制電壓可以由DAC（數模轉換器）產生，實現數字控制的脈沖寬度。如果使用允許外部參考的DAC，可以通過緩沖VSET并將其用作DAC的參考電壓，來消除VSET的依賴性，從而提高精度。

4.3 其他特性

• ISET極端情況：當ISET超出推薦的1.25μA到20μA范圍時，主振蕩器的精度會降低。當ISET低于約500nA時，振蕩器將停止，輸出脈沖將持續到ISET增加且主振蕩器重新啟動。
• 建立時間：在ISET發生2倍或0.5倍的階躍變化后，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。
• 耦合誤差：SET引腳對數字信號（如TRIG輸入）的耦合比較敏感，即使是良好的布局也會存在一定的耦合。因此，在PCB布局時應避免將SET引腳與TRIG引腳（或其他快速邊沿、寬擺幅信號）相鄰布線。

五、電源旁路與PCB布局

為了確保LTC6993的性能，正確的電源旁路和PCB布局至關重要。以下是一些布局指南：

1. 旁路電容連接：將旁路電容C1直接連接到V + 和GND引腳，使用低電感路徑。對于DCB封裝，C1到GND的連接可以在頂層完成；對于SOT - 23封裝，OUT可以通過C1的焊盤布線，以實現良好的C1到GND連接。如果PCB設計規則不允許，C1到GND的連接可以通過多個過孔連接到接地平面，以最小化電感。C1應選擇0.1μF的陶瓷電容。
2. 被動元件放置：將所有被動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、短的連接。SET引腳是一個電流求和節點，注入該引腳的電流會直接調制輸出脈沖寬度，短連接可以減少信號拾取。
4. RSET接地：將RSET直接連接到GND引腳，雖然使用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。
5. SET引腳屏蔽：使用接地走線屏蔽SET引腳，以提供額外的保護，防止輻射信號干擾。
6. R1和R2放置：將R1和R2靠近DIV引腳放置，直接、短的連接可以最小化外部信號耦合。

六、典型應用案例

LTC6993在實際應用中有許多成功的案例，以下是一些典型的應用：

6.1 缺失脈沖檢測器

使用可重觸發的單觸發模式，并將輸出反轉。只要在(t_{OUT } = 64 mu s)內發生重觸發，輸出將保持低電平。

6.2 無線電控制伺服參考脈沖發生器

用于生成1.5ms的參考脈沖，為無線電控制伺服系統提供穩定的信號。

6.3 脈沖延遲發生器

可以實現脈沖的延遲輸出，例如將10μs的輸入脈沖延遲100μs后輸出。

七、總結

LTC6993系列單穩態脈沖發生器以其廣泛的脈沖寬度范圍、高精度、靈活的配置和低功耗等優點，成為電子工程師在設計中值得信賴的選擇。通過合理的設計和布局，能夠充分發揮其性能，滿足各種應用場景的需求。無論是在工業控制、汽車電子還是便攜式設備中，LTC6993都能展現出其獨特的優勢。希望本文能為電子工程師們在使用LTC6993進行設計時提供一些參考和幫助。你在實際應用中遇到過哪些關于LTC6993的問題呢？歡迎在評論區分享交流。