LTC6993系列：多功能单稳态脉冲发生器的设计与应用

在电子工程师的日常设计中，脉冲发生器是一种常见且关键的电路元件。今天，我们就来深入探讨一下凌力尔特（现ADI）的LTC6993系列单稳态脉冲发生器，它在众多应用场景中都能发挥出色的性能。

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一、LTC6993系列概述

LTC6993是TimerBlox系列中的一员，是一款可编程脉冲宽度范围在1µs到33.6秒之间的单稳态多谐振荡器（也称为“单稳态脉冲发生器”）。它有四个版本（LTC6993 - 1、LTC6993 - 2、LTC6993 - 3、LTC6993 - 4）可供选择，能满足不同的触发信号极性和重触发需求。

（一）主要特性

1. 脉冲宽度范围广：从1µs到33.6秒，可通过1到3个电阻进行配置，能适应多种不同的应用场景。
2. 高精度：脉冲宽度误差小，对于脉冲宽度大于512µs的情况，误差小于2.3%；8µs到512µs时，误差小于3.4%；1µs到8µs时，误差小于4.9%。
3. 灵活的触发和输出配置：支持上升沿或下降沿触发，可配置为重触发或非重触发模式，还能输出正脉冲或负脉冲。
4. 低功耗与宽电压范围：单电源供电范围为2.25V到5.5V，在10µs脉冲宽度时，电源电流仅70µA，启动时间为500µs。
5. 强大的输出驱动能力：CMOS输出驱动器可提供或吸收20mA电流。
6. 宽工作温度范围：从 - 55°C到125°C，适用于各种恶劣环境。
7. 多种封装形式：提供低外形（1mm）SOT - 23（ThinSOT™）和2mm × 3mm DFN封装，方便不同的PCB布局需求。
8. 汽车级认证：经过AEC - Q100认证，可用于汽车应用。

（二）典型应用

LTC6993系列在多个领域都有广泛的应用，如看门狗定时器、频率鉴别器、缺失脉冲检测、包络检测、高振动和高加速度环境以及便携式和电池供电设备等。

二、工作原理

（一）脉冲宽度编程

LTC6993的核心是一个主振荡器，其最小周期为1µs。通过SET引脚电流（ISET）控制振荡器，转换因子为1µs/50kΩ，在典型条件下精度可达±1.7%。反馈回路将SET引脚电压（VSET）维持在1V ± 30mV，因此ISET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RSET，使得(I{SET}=V{SET} / R{SET})，主振荡器周期公式可简化为(t{MASTER }=1 mu s cdot frac{R_{SET }}{50 k Omega})。

输出脉冲宽度由主振荡器和可编程时钟分频器NDiv共同决定，公式为(t{OUT }=frac{N{DIV } cdot R_{SET}}{50 k Omega} cdot 1 mu s)，其中NDiv可设置为1、8、64、512、4096、(2^{15})、(2^{18})、(2^{21})。

（二）触发与输出

触发信号（TRIG引脚的上升沿或下降沿）将输出锁存到有效状态，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，主振荡器重置输出锁存器。不同版本的LTC6993对触发信号的极性和重触发能力有所不同，具体如下：	器件	输入极性	重触发
LTC6993 - 1	上升沿	否
LTC6993 - 2	上升沿	是
LTC6993 - 3	下降沿	否
LTC6993 - 4	下降沿	是

（三）DIVCODE编程

DIV引脚连接到一个内部的、与V + 参考的4位A/D转换器，用于确定DIVCODE值。DIVCODE主要有两个作用：一是确定分频器设置NDiv；二是通过POL位确定OUT引脚的极性。VDIV可通过V + 和GND之间的电阻分压器产生，使用1%的电阻可确保结果准确。

三、电气特性

LTC6993的电气特性在不同的工作条件下都有详细的规定。例如，输出脉冲宽度范围为1µs到33.55秒，脉冲宽度精度在不同的NDiv和脉冲宽度下有所不同。电源电压范围为2.25V到5.5V，不同的电源电压和负载条件下，电源电流也会有所变化。此外，还规定了输入输出引脚的电压、电流、电容等参数，以及触发传播延迟、恢复时间等时间参数。

四、典型性能曲线

文档中给出了大量的典型性能曲线，展示了LTC6993在不同条件下的性能表现。例如，输出脉冲宽度漂移与温度、电源电压的关系，输出脉冲宽度误差与RSET、DIVCODE的关系，电源电流与电源电压、温度、TRIG引脚电压、tOUT的关系等。这些曲线对于工程师在设计时评估和优化电路性能非常有帮助。

五、设计与应用

（一）基本设计步骤

使用LTC6993进行设计时，可按照以下四个步骤进行：

1. 选择POL位设置：根据需要选择输出脉冲为正脉冲还是负脉冲，POL位为DIVCODE的最高位，DIVCODE ≥ 8时，POL = 1，输出低电平有效脉冲。
2. 选择LTC6993版本：根据TRIG输入是上升沿还是下降沿，以及是否需要重触发功能，从四个版本中选择合适的器件。
3. 选择NDiv频率分频器值：根据所需的输出脉冲宽度tOUT，选择合适的NDiv值，使其满足(frac{t{OUT }}{16 mu s} leq N{DIV } leq frac{t_{OUT }}{1 mu s})。为了最小化电源电流，应选择最低的NDiv值，但在某些情况下，较高的NDiv值可能会提供更好的精度。
4. 计算并选择RSET：使用公式(R{SET}=frac{50 k}{1 mu s} cdot frac{t{OUT }}{N_{DIV}})计算RSET的值，然后选择最接近的标准电阻值。

（二）电压和数字控制脉冲宽度

除了基本的电阻编程方式，LTC6993还支持通过外部电压或数字信号控制脉冲宽度。通过增加一个电阻，可利用外部电压VCTRL来改变ISET电流，从而调制脉冲宽度。如果使用DAC产生控制电压，并将VSET作为DAC的参考电压，可消除VSET变化带来的误差。

（三）典型应用电路

文档中给出了多个典型应用电路，如缺失脉冲检测器、无线电控制伺服参考脉冲发生器、脉冲延迟发生器、RC伺服脉冲发生器、阶梯发生器、脉冲展宽器、导通时间可编程脉冲电磁阀驱动器、安全超时继电器驱动器等。这些电路展示了LTC6993在不同场景下的具体应用，工程师可以根据自己的需求进行参考和修改。

六、PCB布局和电源旁路

为了确保LTC6993的性能，正确的PCB布局和电源旁路非常重要。以下是一些建议：

1. 电源旁路电容：使用0.1µF的陶瓷电容C1，通过低电感路径直接连接到V + 和GND引脚。对于DCB封装，C1到GND的连接可在顶层完成；对于SOT - 23封装，OUT可通过C1焊盘布线以实现良好的C1 GND连接，若PCB设计规则不允许，可通过多个过孔连接到接地层。
2. 元件放置：将所有无源元件放置在电路板的顶层，以最小化走线电感。
3. RSET连接：将RSET尽可能靠近SET引脚，并进行直接、短连接，以减少信号拾取。同时，使用接地走线屏蔽SET引脚。
4. DIV引脚连接：将R1和R2靠近DIV引脚放置，直接、短连接到DIV引脚可减少外部信号耦合。

七、总结

LTC6993系列单稳态脉冲发生器以其宽脉冲宽度范围、高精度、灵活的配置选项和低功耗等优点，成为电子工程师在设计脉冲发生电路时的理想选择。通过深入理解其工作原理、电气特性和设计方法，并结合正确的PCB布局和电源旁路措施，工程师可以充分发挥LTC6993的性能，实现各种复杂的应用。大家在实际设计中遇到过哪些关于脉冲发生器的问题呢？欢迎在评论区交流分享。