深入解析LM2907和LM2917频率到电压转换器

在电子设计领域，频率到电压转换器是一种非常实用的器件，它能够将输入信号的频率转换为对应的电压输出，广泛应用于转速测量、频率检测等众多场景。今天，我们就来详细探讨一下德州仪器（TI）推出的LM2907和LM2917频率到电压转换器。

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一、器件概述

LM2907和LM2917是单片式频率到电压转换器，内部集成了一个高增益运算放大器。当输入频率达到或超过选定的速率时，该运算放大器可驱动继电器、指示灯或其他负载。这两款器件采用电荷泵技术，具备频率加倍功能以降低纹波，并且在两种版本（8引脚的LM2907和LM2917）中提供了全面的输入保护，当输入频率为零时，其输出可摆至地电位。

二、主要特性

（一）高集成与多功能

• 集成高增益运放：运算放大器的输出为浮动晶体管，可提供高达50 mA的灌电流或拉电流，能够轻松驱动继电器、螺线管、仪表或LED等负载。其集电极电压可高于$V{CC}$，最大$V{CE}$可达28 V。
• 频率加倍功能：可有效降低输出电压的纹波，提高输出的稳定性。
• 内置迟滞特性：转速计具有内置迟滞功能，无论是差分输入还是接地参考输入，都能提供良好的抗干扰能力。

（二）高精度与高可靠性

• 出色的线性度：典型线性度可达±0.3%，能够准确地将输入频率转换为电压输出。
• 全面的保护机制：接地参考转速计完全免受$V_{CC}$以上和地电位以下电压摆动的损坏，确保了器件在复杂环境下的可靠性。

（三）灵活的配置选项

• 两种基本配置：提供8引脚器件，其转速计输入为接地参考，并且转速计输出与运算放大器同相输入之间存在内部连接，适用于单速或频率切换以及全缓冲频率到电压转换应用。

三、引脚配置与功能

（一）8引脚器件

引脚名称	引脚编号	引脚类型	描述
COL	5	I	双极结型晶体管的集电极
CP1	2	O	连接在此引脚上的电容器在每个正半周期开始时，由典型值为180 μA的恒流源充电至$V_{CC}/2$；在负半周期开始时，以相同速率放电相同电量
CP2/IN+	3	I/O	参考引脚CP1和IN+，在8引脚器件中，这两个节点共用一个引脚并内部连接
EMIT	4	O	双极结型晶体管的发射极
GND	-	G	接地
IN+	-	I	高增益运算放大器的同相输入
IN-	7	I	高增益运算放大器的反相输入
NC	-	-	无连接
TACH+	1	I	输入信号的正端，连接到内部施密特触发器比较器的同相端
TACH-/GND	8	-	输入信号的负端，连接到内部施密特触发器比较器的同相端（在8引脚器件中，此引脚内部接地，必须外部接地以提供器件的参考电压）
V+	6	I	电源电压

（二）14引脚器件

引脚名称	引脚编号	引脚类型	描述
COL	8	I	双极结型晶体管的集电极
CP1	2	O	连接在此引脚上的电容器在每个正半周期开始时，由典型值为180 μA的恒流源充电至$V_{CC}/2$；在负半周期开始时，以相同速率放电相同电量
CP2	3	O	电荷泵从此引脚流出的电流等于CP1引脚电容器电流的绝对值，连接到该引脚的并联电阻和电容将电流脉冲滤波为输出电压
EMIT	5	O	双极结型晶体管的发射极
GND	12	G	接地
IN+	4	I	高增益运算放大器的同相输入
IN-	10	I	高增益运算放大器的反相输入
NC	6、7、13、14	-	无连接
TACH+	1	-	输入信号的正端，连接到内部施密特触发器比较器的同相端
TACH-	11	-	输入信号的负端，连接到内部施密特触发器比较器的同相端
V+	9	-	电源电压

四、详细工作原理

（一）信号处理

LM29x7频率到电压转换器具有两个独立的输入来监测信号。在8引脚器件中，其中一个输入内部接地，因此监测另一个输入的过零点；在14引脚器件中，两个输入均为开放状态，检测差分电压的极性变化。输入比较器输出与输入频率相同的方波。

（二）电荷泵机制

采用电荷泵系统将方波频率转换为电压。在输入信号的每个正半周期开始时，180 μA的恒流源对电容C1充电，使其电压升高$V{CC}/2$；在负半周期开始时，恒流源对电容C1放电，使其电压降低$V{CC}/2$。这种充放电过程产生与输入信号频率相同的电流脉冲，电荷泵将这些电流脉冲镜像为正电流脉冲，流入电阻R1和电容C2的并联组合。因此，输出电压为$V{OUT}=I3(avg)×R1$，其中$I3(avg)=V{CC}×f_{IN}×C1$。

五、应用电路设计

（一）最小元件转速计

这是一种常用的应用电路，主要由电容C1、电阻R1、电容C2和负载电阻Rload组成。

• C1的选择：C1由180 μA的典型电流源在每个周期进行充放电。较小的电容值可以更快地充电，从而提高最大可读频率，但会降低给定频率下的输出电压。为了保证内部补偿，C1的取值不应低于500 pF。
• R1的选择：R1用于将内部电荷泵产生的电流脉冲转换为输出电压。较大的R1值可以提高给定频率下的输出电压，但过大的值会降低输出的线性度。在最大输入频率下，脉冲序列的占空比为100%，平均电流为180 μA，因此$R1 = V_{O(max)} / 180 μA$。
• C2的选择：C2用于过滤电荷泵产生的电流脉冲所引起的纹波。较大的C2值可以降低输出电压纹波，但会增加输出对输入频率变化的响应时间。
• Rload的选择：负载电阻Rload必须足够大，以确保在最大输出电压下，电流不超过额定值50 mA。

（二）其他应用电路

除了最小元件转速计，LM2907和LM2917还可以应用于多种电路中，如速度开关、电容计、频率到电压转换器带2极点巴特沃斯滤波器以降低纹波等。这些应用电路充分展示了该器件的灵活性和多功能性。

六、设计注意事项

（一）电源供应

该系列器件设计用于最高28 V的电源电压。对于8引脚的LM2907和LM2917，转速计输入可以承受±28 V的电压；而LM2907和LM2917的转速计输入虽然都可用，但需要注意输入保护，避免输入电压超出电源电压范围。

（二）布局设计

• 旁路电容：旁路电容应尽可能靠近电源引脚放置，对于通孔封装，可将旁路电容放置在底层。
• 元件布局：所有其他元件应尽可能靠近器件放置，以减少寄生参数的影响。
• 接地平面：建议使用接地平面，以提供低阻抗的接地路径。
• 反馈回路：反馈回路应使用短而宽的走线，以降低信号干扰。

七、总结

LM2907和LM2917频率到电压转换器以其丰富的特性、灵活的配置和广泛的应用场景，成为电子工程师在频率到电压转换应用中的理想选择。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择器件的配置和外部元件参数，并注意布局设计，以确保电路的性能和可靠性。希望通过本文的介绍，能帮助大家更好地理解和应用这两款优秀的器件。