探索LTC6993：多功能单稳态脉冲发生器的设计与应用

在电子设计领域，单稳态脉冲发生器是一种非常实用的电路，它能够在接收到触发信号后，输出一个固定宽度的脉冲。今天，我们要深入探讨的是凌力尔特（现ADI）公司的LTC6993系列单稳态脉冲发生器，它具有可编程脉冲宽度、多种触发选项和输出极性选择等特性，适用于各种应用场景。

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产品概述

LTC6993是TimerBlox®家族的一员，是一款可编程脉冲宽度为1µs至33.6秒的单稳态多谐振荡器（也称为“单触发”脉冲发生器）。它通过一个电阻 (R{SET}) 来编程内部主振荡器的频率，从而设定时间基准。输出脉冲宽度由主振荡器和一个可编程的内部时钟分频器 (N{DIV}) 决定， (N_{DIV}) 有8种设置，从1到 (2^{21}) 。其输出脉冲由触发输入（TRIG）的转换启动，每个部分都可以配置为产生正或负输出脉冲。

产品特性

脉冲宽度范围与精度

• 宽范围：脉冲宽度范围为1µs至33.6秒，能够满足不同应用的需求。
• 高精度：对于不同的脉冲宽度范围，精度有所不同。例如，当脉冲宽度 (>512 mu s) 时，最大误差 (<2.3 %) ；脉冲宽度为8us至512us时，误差 (<3.4 %) ；脉冲宽度为1us至8us时，误差 (<4.9 %) 。

多种配置选项

• 触发选项：有上升沿或下降沿触发两种选择，并且有可重触发和不可重触发版本。
• 输出极性：可配置为正或负输出脉冲。

电气性能

• 电源范围：支持2.25V至5.5V的单电源操作。
• 低功耗：在10µs脉冲宽度时，电源电流仅为70µA。
• 快速启动：启动时间为500µs。
• 高驱动能力：CMOS输出驱动器能够源/灌20mA电流。

工作温度范围

• 工作温度范围为–55°C至125°C，适用于各种恶劣环境。

封装形式

• 提供低轮廓（1mm）SOT - 23（ThinSOT™）和2mm × 3mm DFN封装。
• 符合AEC - Q100标准，适用于汽车应用。

工作原理

主振荡器控制

LTC6993围绕一个最小周期为1µs的主振荡器构建。振荡器由SET引脚的电流（ (I{SET}) ）和电压（ (V{SET}) ）控制，转换因子为1µs/50kΩ，在典型条件下精度可达±1.7%。反馈回路将 (V{SET}) 维持在1V ± 30mV，因此 (I{SET}) 成为控制脉冲宽度的主要手段。最简单的方法是在SET和GND之间连接一个电阻 (R{SET}) ，使得 (I{SET}=V{SET} / R{SET}) ，此时主振荡器的周期公式为 (t{MASTER }=1 mu s cdot frac{R{SET }}{50 k Omega}) 。

输出脉冲生成

触发信号（TRIG引脚的上升或下降沿）将输出锁存到激活状态，启动输出脉冲。同时，主振荡器开始计时，当达到所需的脉冲宽度时，主振荡器复位输出锁存器。

可编程分频器

LTC6993还包括一个可编程频率分频器，可将频率进一步除以1、8、64、512、4096、 (2^{15}) 、 (2^{18}) 或 (2^{21}) ，从而扩展脉冲宽度。分频比 (N{DIV}) 由连接到DIV引脚的电阻分压器设置，输出脉冲宽度公式为 (t{OUT }=frac{N{DIV } cdot R{SET }}{50 k Omega} cdot 1 mu s) 。

DIVCODE设置

DIV引脚连接到一个内部的 (V^{+}) 参考4位A/D转换器，用于确定DIVCODE值。DIVCODE决定了频率分频器设置 (N{DIV}) 和OUT引脚的极性（通过POL位）。 (V{DIV}) 可以通过 (V^{+}) 和GND之间的电阻分压器生成，推荐使用1%的电阻以确保精度。

设计步骤

选择POL位设置

根据需要选择输出脉冲的极性， (DIVCODE ≥8) 时， (POL =1) ，产生低电平有效脉冲。

选择LTC6993版本

根据TRIG输入是上升沿还是下降沿，以及是否允许重触发来选择合适的LTC6993版本。

选择 (N_{DIV}) 频率分频器值

对于给定的输出脉冲宽度 (t{OUT}) ， (N{DIV}) 应选择在 (frac{t{OUT }}{16 mu s} leq N{DIV } leq frac{t{OUT }}{1 mu s}) 范围内。为了最小化电源电流，应选择最低的 (N{DIV}) 值，但在某些情况下，较高的 (N_{DIV}) 值可能提供更好的精度。

计算和选择 (R_{SET})

使用公式 (R{S E T}=frac{50 k}{1 mu s} cdot frac{t{OUT }}{N{D I V}}) 计算 (R{SET}) 的值，并选择最接近的标准电阻值。

典型应用

缺失脉冲检测器

使用可重触发的单触发，输出反相。只要在 (t_{OUT}) 时间内发生重触发，输出就保持低电平。

无线电控制伺服参考脉冲发生器

用于生成1.5ms的参考脉冲，为伺服系统提供精确的控制信号。

脉冲延迟发生器

可以实现脉冲的延迟输出，满足特定的时序要求。

安全超时继电器驱动器

在输入脉冲丢失后，经过设定的时间（如5s）自动关闭，确保系统安全。

注意事项

电源旁路和PCB布局

• 电源应保持无噪声和纹波，使用0.1µF的电容直接旁路到GND引脚。
• 所有无源元件应放置在电路板的顶层，以最小化走线电感。
• (R_{SET}) 应尽可能靠近SET引脚，并直接连接到GND引脚。
• 使用接地走线屏蔽SET引脚，减少辐射信号的干扰。

ISET极端情况

当 (I{SET}) 超出推荐的1.25µA至20µA范围时，主振荡器的精度会下降。当 (I{SET}) 低于约500nA时，振荡器将停止，输出脉冲将持续直到 (I_{SET}) 再次增加。

耦合误差

SET引脚对数字信号的耦合比较敏感，即使是良好的布局也会存在一定的耦合。在 (N_{DIV }=1) 时，指定的精度中已经考虑了这种误差。

总结

LTC6993是一款功能强大、性能优越的单稳态脉冲发生器，具有多种配置选项和高精度的脉冲宽度控制能力。它适用于各种应用场景，如汽车电子、工业控制、通信等。在设计过程中，需要根据具体需求选择合适的配置参数，并注意电源旁路和PCB布局等问题，以确保系统的稳定性和可靠性。希望本文能够帮助电子工程师更好地理解和应用LTC6993。你在使用LTC6993的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。