探索LTC6994-1/LTC6994-2：多功能可編程延遲塊的設計與應用

在電子設計的領域中，精確的延遲控制和信號處理是許多應用的核心需求。今天，我們將深入探討Linear Technology（現ADI）的LTC6994-1/LTC6994-2可編程延遲塊，這兩款器件屬于TimerBlox?系列，為我們提供了從1μs到33.6秒的寬延遲范圍，適用于各種噪聲過濾、脈沖限定和開關消抖等應用。

文件下載：LTC6994HS6-2#WTRMPBF.pdf

一、特性亮點

1. 寬延遲范圍與高精度

LTC6994-1/LTC6994-2的延遲范圍從1μs到33.6秒，通過1到3個電阻即可輕松配置。在延遲精度方面，對于延遲大于512μs的情況，最大誤差小于2.3%；延遲在8μs到512μs之間，誤差小于3.4%；延遲在1μs到8μs之間，誤差小于5.1%，能夠滿足大多數應用對延遲精度的要求。

2. 低功耗與寬電源電壓范圍

該器件采用2.25V至5.5V的單電源供電，在10μs延遲時，電源電流僅為70μA，非常適合便攜式和電池供電設備。同時，其啟動時間僅為500μs，能夠快速進入工作狀態。

3. 強大的輸出驅動能力

CMOS輸出驅動源/漏電流可達20mA，能夠直接驅動多種負載，如LED等。此外，它的工作溫度范圍為 -55°C至125°C，適用于各種惡劣環境。

4. 豐富的封裝選擇與汽車應用認證

提供低剖面（1mm）的SOT-23（ThinSOT?）和2mm × 3mm DFN封裝，方便不同的PCB布局需求。而且，該器件通過了AEC-Q100認證，可用于汽車應用。

二、應用場景

1. 噪聲鑒別與脈沖限定

在存在噪聲干擾的信號環境中，LTC6994可以作為噪聲鑒別器或脈沖限定器，過濾掉短時間的噪聲脈沖，只允許符合設定條件的信號通過。

2. 延遲匹配

在需要精確延遲匹配的電路中，如多通道信號處理系統，LTC6994能夠提供精確的延遲，確保信號的同步性。

3. 開關消抖

對于機械開關或按鈕，LTC6994可以消除開關抖動產生的噪聲，提供穩定的輸出信號。

4. 高振動與高加速度環境

由于其寬工作溫度范圍和穩定的性能，LTC6994適用于高振動和高加速度的工業或汽車環境。

三、工作原理

1. 內部振蕩器與時鐘分頻

LTC6994基于一個最小周期為1μs的主振蕩器，該振蕩器由SET引腳的電流（ISET）和電壓（VSET）控制，轉換因子為1μs/50kΩ，典型條件下精度可達±1.7%。通過連接一個電阻（RSET）在SET和GND之間，可以簡單地生成ISET，從而控制主振蕩器的頻率。同時，內部的可編程分頻器可以將頻率進一步分頻為1, 8, 64, 512, 4096, (2^{15}), (2^{18})或 (2^{21})，從而擴展延遲時間。

2. 延遲計算公式

輸入到輸出的延遲時間（tDELAY）由主振蕩器和分頻系數（NDIV）決定，計算公式為： [t{DELAY }=frac{N{DIV} cdot R_{SET}}{50 k Omega} cdot 1 mu s]

四、引腳功能與配置

1. 電源與接地引腳

(V^{+})（Pin 1/Pin 5）為電源引腳，電壓范圍為2.25V至5.5V，需要使用0.1μF的電容直接旁路到GND引腳，以減少噪聲和紋波。GND（Pin 5/Pin 2）為接地引腳，應連接到低電感的接地平面，以確保最佳性能。

2. 可編程分頻與極性輸入引腳

DIV（Pin 2/Pin 4）為可編程分頻和極性輸入引腳，其電壓（VDIV）通過內部的4位A/D轉換器轉換為DIVCODE，用于設置分頻系數（NDIV）和極性（POL）。在配置時，建議使用1%的電阻來確保精度，并將DIV引腳和電阻與OUT引腳或其他快速邊沿信號隔離，同時限制DIV引腳的電容小于100pF，以確保VDIV快速穩定。

3. 延遲設置輸入引腳

SET（Pin 3/Pin 3）為延遲設置輸入引腳，其電壓（VSET）被調節到1V以上GND，通過設置ISET電流來編程主振蕩器的頻率。ISET電流范圍為1.25μA至20μA，當ISET低于約500nA時，延遲輸出不會發生，直到ISET再次增加。為了獲得最佳性能，建議使用精度為0.5%或更好、溫度系數為50ppm/°C或更好的精密金屬或薄膜電阻，并限制SET引腳的電容小于10pF，以減少抖動和確保穩定性。

4. 邏輯輸入與輸出引腳

IN（Pin 4/Pin 1）為邏輯輸入引腳，根據版本和POL位設置，IN引腳的上升或下降沿將在可編程延遲后傳播到OUT引腳。OUT（Pin 6/Pin 6）為輸出引腳，輸出從GND到 (V^{+})擺動，輸出電阻約為30Ω，當驅動低阻抗負載時，應使用串聯輸出電阻來限制源/漏電流到20mA。

五、設計步驟與示例

1. 基本設計步驟

• 步驟1：選擇器件版本和POL位設置
  • 若只需延遲一個（上升或下降）輸入過渡，選擇LTC6994-1，通過POL位定義延遲的邊沿。(POL=0)延遲上升沿，(POL =1)延遲下降沿。
  • 若需要延遲上升和下降沿，選擇LTC6994-2，設置 (POL=0)為正常操作，或 (POL =1)反轉輸出。
• 步驟2：選擇 (N_{DIV })頻率分頻值 根據所需的延遲時間（tDELAY），選擇合適的 (N{DIV })值，使其滿足以下范圍： [frac{t{DELAY }}{16 mu s} leq N{DIV } leq frac{t{DELAY }}{1 mu s}] 為了最小化電源電流，選擇最低的 (N{DIV })值，但在某些情況下，較高的 (N{DIV })值可能提供更好的精度。
• 步驟3：計算并選擇 (R_{SET}) 使用以下方程計算 (R{SET})的值： [R{S E T}=frac{50 k}{1 mu s} cdot frac{t{D E L A Y}}{N{D I V}}] 選擇最接近計算值的標準電阻值。

2. 設計示例

設計一個電路，將下降沿延遲 (t_{DELAY }=100 mu) s，并最小化功耗。

• 步驟1：選擇器件版本和POL位設置 選擇LTC6994-1，設置 (POL =1)以延遲下降沿。
• 步驟2：選擇 (N_{DIV })頻率分頻值 使用 (t{DELAY }=100 mu) s，計算 (N{DIV })的范圍為 (6.25 leq N{DIV} leq 100)，選擇 (N{DIV }=8)，此時 (DIVCODE =14)。根據表1，選擇 (R 1=102 k)和 (R2 = 976k)來設置 (DIVCODE =14)。
• 步驟3：選擇 (R_{SET}) 使用公式計算 (R{SET})的值為： [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，若允許 (t_{DELAY })有 -0.97%的偏移，可選擇619k電阻；否則，可選擇309k和316k的并聯或串聯電阻對以獲得更精確的電阻值。

六、其他特性與注意事項

1. 電壓控制延遲

通過添加一個額外的電阻 (R{MOD})，可以使用外部電壓 (V{CTRL})來控制LTC6994的輸出延遲，延遲時間計算公式為： [t{DELAY }=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}}}]

2. 數字延遲控制

可以使用DAC（數模轉換器）生成控制電壓，實現數字控制延遲。為了消除 (V{SET})的影響，可使用緩沖后的 (V{SET})作為DAC的參考電壓。

3. ISET極端情況

當ISET超出推薦的1.25μA至20μA范圍時，主振蕩器的頻率將超出62.5kHz至1MHz的最佳精度范圍。當ISET低于500nA時，振蕩器將停止，延遲計時將暫停，直到ISET再次增加。不建議將主振蕩器的頻率超過2MHz，以免影響DIV引腳ADC的精度。

4. 建立時間

在ISET發生2倍或0.5倍的階躍變化后，輸出延遲大約需要6個主時鐘周期（(6 cdot t_{MASTER })）才能穩定到最終值的1%以內。

5. 耦合誤差

SET引腳對數字信號的耦合比較敏感，因此在PCB布局時，應避免將SET引腳與IN引腳（或其他快速邊沿、寬擺幅信號）相鄰布線，以減少耦合誤差。

6. 電源電流

器件的電源電流分為空閑電流（IS(IDLE)）和活動電流（IS(ACTIVE)）。空閑電流根據不同的 (N{DIV })和 (t{DELAY })有不同的計算公式，活動電流則在輸入過渡啟動延遲計時時增加，可通過相關公式進行估算。

7. 電源旁路和PCB布局

為了確保LTC6994的性能，應進行適當的電源旁路和合理的PCB布局。包括使用低電感路徑連接旁路電容到 (V^{+})和GND引腳，將所有無源元件放置在電路板的頂層，將 (R_{SET})盡可能靠近SET引腳并直接連接到GND引腳，使用接地跡線屏蔽SET引腳，以及將 (R1)和 (R2)靠近DIV引腳連接等。

七、典型應用電路

1. 延遲單穩態觸發器

通過LTC6994-1和LTC6993-1的組合，可以實現延遲單穩態觸發功能，產生指定延遲和脈寬的脈沖信號。

2. 脈沖展寬器

使用LTC6994-1可以實現脈沖展寬功能，使輸出脈沖寬度等于輸入脈沖寬度加上一個固定的延遲時間。

3. 開關/繼電器消抖

LTC6994-2可以用于開關或繼電器的消抖，確保輸出信號在輸入穩定一段時間后才發生變化。

4. 邊沿抖動濾波器

通過設置合適的延遲時間，LTC6994-2可以過濾掉輸入信號中的邊沿抖動，只允許穩定的信號通過。

5. 交叉門先斷后合間隔定時器

在需要先斷后合操作的電路中，LTC6994-1可以提供精確的延遲時間，確保在切換過程中有足夠的斷開間隔。

6. 按壓保持延遲定時器

使用LTC6994-1可以實現按壓保持延遲功能，在輸入信號保持一段時間后才輸出相應的信號。

八、總結

LTC6994-1/LTC6994-2可編程延遲塊以其寬延遲范圍、高精度、低功耗和豐富的功能，為電子工程師提供了一個強大的工具，適用于各種需要精確延遲控制和信號處理的應用場景。通過合理的設計和布局，可以充分發揮其性能優勢，為電路設計帶來更多的可能性。在實際應用中，我們需要根據具體的需求選擇合適的器件版本和參數，并注意一些關鍵的設計要點，以確保電路的穩定性和可靠性。你在使用類似可編程延遲塊時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和想法。