LM2907和LM2917频率 - 电压转换器：特性、应用与设计指南

一、引言

在电子设计领域，频率 - 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，广泛应用于速度检测、频率测量等众多场景。今天我们要深入探讨的是德州仪器（TI）的LM2907和LM2917频率 - 电压转换器，这两款器件具有一系列出色的特性和丰富的应用场景，下面就让我们一起来详细了解一下。

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二、器件特性

2.1 输入与输出特性

• 输入接口：具有接地参考的转速计输入接口，可直接与可变磁阻式磁传感器连接。转速计有内置迟滞功能，支持差分输入或接地参考输入，能有效提高抗干扰能力。
• 输出能力：运算放大器的输出为浮动晶体管，可提供50 - mA的灌电流或拉电流，足以驱动继电器、螺线管、仪表或LED等负载，具有很强的负载驱动能力。

2.2 频率处理特性

• 频率倍增：具备频率倍增功能，可降低输出纹波，提高输出的稳定性。
• 线性度：典型线性度可达±0.3%，能保证在较宽的频率范围内实现精确的频率 - 电压转换。

2.3 保护与稳定性特性

• 输入保护：接地参考的转速计具有全面的保护功能，能防止因电压波动超过(V_{CC})和低于地电位而造成损坏，增强了器件的可靠性。
• 输出特性：当输入频率为零时，输出电压可摆动至地电位，方便在零频率输入时进行信号处理。
• 稳压功能：芯片上的齐纳稳压器（LM2917）可实现精确稳定的频率 - 电压或电流转换，确保输出的准确性和稳定性。

2.4 易用性

该器件使用方便，输出电压(V{OUT }=f{I N} ×V_{C C} ×R 1 ×C 1)，通过简单的公式即可计算输出电压，便于工程师进行设计和调试。

三、应用场景

3.1 速度检测与控制

• 超速和欠速检测：可用于监测设备的转速，当转速超过或低于设定值时，输出相应的信号，实现对设备的保护和控制。
• 速度表和调速器：在汽车、工业设备等领域，可作为速度表的核心部件，将转速转换为电压信号进行显示；也可用于调速器，实现对设备速度的精确控制。

3.2 汽车应用

• 巡航控制：通过监测车辆的行驶速度，实现对发动机油门的自动控制，保持车辆以设定的速度行驶。
• 门锁控制、离合器控制和喇叭控制：根据车辆的运行状态，如车速、挡位等，控制门锁的开启和关闭、离合器的接合和分离以及喇叭的鸣响。

3.3 其他应用

• 频率 - 电压转换：可作为通用的频率 - 电压转换器，应用于各种需要将频率信号转换为电压信号的场合。
• 触摸或声音开关：通过检测触摸或声音信号的频率变化，实现开关的控制。

四、器件描述

4.1 工作原理

LM2907和LM2917采用电荷泵技术，当输入频率达到或超过选定的速率时，高增益运算放大器可驱动继电器、灯或其他负载。输入信号经过比较器处理后输出与输入频率相同的方波，电荷泵将方波的频率转换为电压。具体来说，在输入信号的每个正半周期开始时，一个180 - µA的恒定电流对电容C1充电，使其电压升高(V{CC} / 2)；在负半周期开始时，该电流对电容C1放电，使其电压降低(V{CC} / 2)。这样就产生了与输入信号频率相同的电流脉冲，经过电阻R1和电容C2的滤波后，得到稳定的输出电压(V{O}=R 1 × C 1 × V{C C} × f)。

4.2 基本配置

• 8 - 引脚器件：具有接地参考的转速计输入，转速计输出与运算放大器的同相输入内部连接，适用于单速或频率切换以及全缓冲频率 - 电压转换应用。
• 差分输入配置：提供差分转速计输入和未连接的运算放大器输入，转速计输入可浮动，运算放大器适合对转速计输出进行有源滤波调理。

五、引脚配置与功能

5.1 8 - 引脚PDIP和SOIC封装

引脚名称	引脚编号	I/O	描述
COL	5	I	双极结型晶体管的集电极
CP1	2	O	该引脚上的电容在每个正半周期开始时，由180 - µA的恒定电流源充电至(V_{CC} / 2)；在负半周期开始时，以相同的速率放电相同的电量
CP2/IN+	3	I/O	与CP1和IN+引脚相关，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
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	I	输入信号的负端，在8 - 引脚器件中，该引脚内部连接到地，必须外部连接到系统地
V+	6	I	电源电压

5.2 14 - 引脚PDIP和SOIC封装

引脚名称	引脚编号	I/O	描述
COL	8	I	双极结型晶体管的集电极
CP1	2	O	功能与8 - 引脚封装的CP1相同
CP2	3	O	电荷泵从该引脚输出的电流等于CP1引脚电容电流的绝对值，通过并联的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
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–	11	I	输入信号的负端
V+	9	I	电源电压

六、规格参数

6.1 绝对最大额定值

• 电源电压：最大为28 V。
• 电源电流（齐纳选项）：最大为25 mA。
• 集电极电压：最大为28 V。
• 功耗：8 - 引脚器件最大为1200 mW，14 - 引脚器件最大为1580 mW。
• 工作温度范围：(-40^{circ}C)至(85^{circ}C)；存储温度范围为(-65^{circ}C)至(150^{circ}C)。

6.2 ESD额定值

• 人体模型（HBM）：±1000 V。
• 带电器件模型（CDM）：±250 V。

6.3 推荐工作条件

• 输入电压：8 - 引脚器件为(-28)至(28) V，14 - 引脚器件为0至(28) V。
• 输出灌电流：最大为50 mA。

6.4 热性能参数

不同封装的器件具有不同的热阻参数，如结 - 环境热阻(R{θJA})、结 - 外壳（顶部）热阻(R{θJC(top)})等，具体数值可参考文档中的表格。这些参数对于评估器件的散热性能和进行热设计非常重要。

6.5 电气特性

• 转速计特性：输入阈值、迟滞、失调电压、输入偏置电流等参数都有明确的指标，典型的线性度为±0.3%。
• 运算放大器和比较器特性：输入失调电压、偏置电流、电压增益、输出灌电流和源电流等参数也有相应的规定。
• 齐纳稳压器特性：稳压器电压、串联电阻、温度稳定性等参数确保了齐纳稳压器的性能。

七、详细设计与应用

7.1 设计原理

在设计使用LM2907和LM2917的电路时，需要考虑输入信号的特性、输出负载的要求以及器件的参数限制。例如，在选择时间常数(R1 × C1)时，要确保在(I_{3} times) R1的情况下，能够达到CP2/IN +引脚的最大预期输出电压。同时，C2的大小会影响输出电压的纹波和响应时间，需要根据实际需求进行选择。

7.2 典型应用电路

7.2.1 最小元件转速计

这是一种常见的应用电路，通过合理选择C1、R1、C2和Rload等元件的值，可以实现精确的频率 - 电压转换。C1的大小会影响最大可读频率和输出电压，R1的大小会影响输出电压和线性度，C2用于滤波，Rload要确保在最大输出电压时，电流不超过额定值。

7.2.2 其他应用电路

还包括速度开关、频率 - 电压转换器、电容计、触摸或声音开关等多种应用电路。这些电路各有特点，可根据具体的应用场景进行选择和设计。例如，速度开关电路可用于监测设备的转速，当转速达到或超过设定值时，触发负载开关；频率 - 电压转换器可将输入频率转换为相应的电压输出，用于频率测量和显示。

7.3 注意事项

• 电源供应：该系列器件设计用于最高28 V的电源电压，但在使用时需要注意输入电压的范围和稳定性。对于8 - 引脚的LM2907和LM2917，转速计输入可承受±28 V的电压；而对于具有差分输入的器件，需要额外注意输入保护，避免输入电压超出电源电压范围。
• 布局设计：旁路电容应尽可能靠近电源引脚放置，使用接地平面可提供低阻抗接地，反馈回路应使用短而宽的走线，以减少干扰和信号损耗。合理的布局设计对于提高电路的性能和稳定性至关重要。

八、总结

LM2907和LM2917频率 - 电压转换器具有丰富的特性和广泛的应用场景，为工程师在频率 - 电压转换和速度检测等领域提供了强大的工具。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择器件的封装、配置参数和外部元件，同时注意电源供应和布局设计等方面的问题，以确保电路的性能和稳定性。希望通过本文的介绍，能帮助工程师更好地理解和应用这两款器件。你在使用这两款器件的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。