Intersil X90100：非易失性电子可编程电容器的技术解析

在电子设计领域，可编程电容器是一种非常实用的元件，它能根据设计需求灵活调整电容值，满足不同电路的要求。今天我们要深入探讨的是 Intersil 公司的 X90100 非易失性电子可编程电容器，它具有诸多出色的特性和广泛的应用场景。

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产品概述

X90100 是一款非易失性电子可编程电容器，通过简单的数字接口进行编程。编程后，所选的电容设置会由内部 EEPROM 存储，即使直流电源中断也能保留。在单端模式下，它有 32 个可编程电容值可供选择，范围从 7.5pF 到 14.5pF，以 0.23pF 为增量。其电介质高度稳定，电容具有极低的电压系数，几乎没有电介质吸收，在差分模式下温度漂移系数极低（<50 ppm/°C）。

产品特性

存储与召回特性

• 非易失性存储：采用 EEPROM 存储编程的微调代码，即使断电也能保留设置，下次上电时可直接恢复之前的电容设置，实现电容设置的上电召回功能。这一特性在需要频繁断电重启的系统中非常实用，能节省重新设置电容的时间和精力。

  性能优势

• 高性能可调节电容：具有出色的线性度，误差小于 0.5 LSB，能提供高精度的电容值调节。
• 简单数字接口：通过三个数字接口引脚（INC、U/D、CS）进行编程，操作简单便捷。这些引脚具有施密特触发器和上拉电阻，确保代码保留。
• 快速调整：最大增量变化时间仅为 5µs，能够快速响应电容值的调整需求，提高系统的响应速度。
• 无需机械调谐：消除了对机械调谐的需求，减少了机械部件的使用，提高了系统的可靠性和稳定性。

电容范围与封装

• 电容范围：电容可在 7.5pF 到 14.5pF 之间进行调节（单端模式），能满足多种不同电路的需求。
• 封装形式：采用 MSOP（1.1mm x 3.0mm x 3.0mm）封装，体积小巧，适合对空间要求较高的设计。

引脚说明

引脚	符号	简要描述
1	INC	增量输入，负边沿触发。切换 INC 会根据 U/D 输入的逻辑电平方向移动电容值，并递增或递减计数器。
2	U/D	上下控制输入，控制微调电容值的方向以及计数器的递增或递减。
3	VSS	接地端。
4	Cp	X90100 的高端，与机械可调电容器的固定端等效，其两端的电容值由数字输入 INC、U/D 和 CS 决定。
5	Cm	X90100 的低端，与机械可调电容器的固定端等效，其两端的电容值由数字输入 INC、U/D 和 CS 决定。
6	N/C	未连接，必须浮空。
7	CS	芯片选择输入，当 CS 为低电平时，设备被选中；当 CS 为高电平且 INC 也为高电平时，当前计数器值存储在非易失性存储器中，存储操作完成后，X90100 将进入低功耗待机模式。
8	VCC	正电源电压。

电气参数

绝对最大额定值

参数	范围
偏置温度	-65°C 到 +135°C
存储温度	-65°C 到 +150°C
CS、INC、U/D、Cp 和 Cm 相对于 VSS 的电压	-1V 到 +7V
∆V =	VCP - VCM	5V
引脚温度（焊接 10 秒）	300°C

电容规格

在 (V{CC}= +5V)、(T{A}=25^{circ}C)、单端模式、(C_{M}=0V) 的条件下：	符号	参数	测试条件/注释	最小值	典型值	最大值	单位
绝对精度				±15		%
Vcp	Cp 端电压		0		Vcc	V
Vcm	Cm 端电压		0		Vcc	V
∆C	电容增量			0.23		pF
∆C	电容范围			7		pF
CTOTAL	代码为 0 时的电容			7.5		pF
CTOTAL	代码为 31 时的电容			14.5		pF
Q	品质因数（f = 315MHz）			7
分辨率			5		bits
INL	绝对线性误差			±0.15		lsb
DNL	相对线性误差			±0.15		lsb
TC1	CTOTAL 温度系数（差分模式）			±50		ppm/°C
Vcc	电源电压		2.7		5.5	V

DC 电气规格

在 (V{CC}=5V)、(T{A}=25^{circ}C) 的条件下：	符号	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
ICC1	VCC 有源电流（增量）	CS = VIL，U/D = VIL 或 VIH 且 INC = 0.4V @ 最大 tCYC		50	100	µA
ICC2	VCC 有源电流（存储）（EEPROM 存储）	CS = VIH，U/D = VIL 或 VIH 且 INC = VIH @ 最大 tWR		250	500	µA
ISB	待机电源电流	CS = VCC - 0.3V，U/D 和 INC = VSS 或 VCC - 0.3V		0.5	2	µA
ILI	CS、INC、U/D 输入泄漏电流	VIN = VSS		-15		µA
VIH	CS、INC、U/D 输入高电压		VCC x 0.7		VCC + 0.5	V
VIL	CS、INC、U/D 输入低电压		-0.5		VCC x 0.1	V
CIN	CS、INC、U/D 输入电容	VCC = 5V，VIN = VSS，TA = 25°C，f = 1MHz			10	pF

交流电气规格

在 (V{CC}=5V)、(T{A}=25^{circ}C) 的条件下：	符号	参数	最小值	典型值	最大值	单位
tCl	CS 到 INC 设置时间	100			ns
tlD	INC 高电平到 U/D 变化时间	100			ns
tDI	U/D 到 INC 设置时间	100			ns
tlL	INC 低电平周期	1			µs
tlH	INC 高电平周期	1			µs
tlC	INC 非活动到 CS 非活动时间	1			µs
tCPHNS	CS 取消选择时间（无存储）	1			µs
tCPHS	CS 取消选择时间（存储）	10			ms
tIW	INC 到 CTOTAL 变化时间	1	5		µs
tCYC	INC 周期时间	4			µs
tR, tF	INC 输入上升和下降时间			500	µs
tPU	上电到电容稳定时间	5			µs
tR VCC	VCC 上电速率	0.2		50	V/ms
tWR	存储周期	5		10	ms

工作原理

X90100 主要由输入控制、计数器和解码部分、非易失性存储器以及电容阵列三个部分组成。输入控制部分就像一个上下计数器，计数器的输出经过解码后，控制电子开关将内部电容单元连接到总电容。在适当的条件下，计数器的内容可以存储在非易失性存储器中，以便后续使用。电容阵列由 31 个并联的单个电容组成，每个电容元件的一端有一个电子开关，用于连接到总电容。

当计数器到达范围的两端时，电容的行为就像其机械等效物一样，不会超出最后一个位置，即计数器在时钟信号作用下不会循环到极端位置。电子开关在计数器改变位置时以“先接后断”的模式工作。如果计数器移动多个位置，在 (t{IW})（INC 到 (C{TOTAL}) 变化）期间，多个电容单元会连接到总电容，这可能会暂时显著增加 (C_{TOTAL}) 的值。

当设备断电时，最后存储的计数器位置会保留在非易失性存储器中。恢复供电后，存储器中的内容会被召回，电容会设置为最后存储的值。

编程与操作

控制输入

INC、U/D 和 (overline{CS}) 输入控制电容总值的移动。当 (overline{CS}) 置为低电平时，设备被选中并能够响应 U/D 和 INC 输入。INC 从高到低的转换会根据 U/D 输入的状态递增或递减一个 5 位计数器。计数器的输出经过解码后，从 32 种电容组合中选择一种用于电容阵列。

存储操作

当 (overline{CS}) 变为高电平且 INC 也为高电平时，计数器的值会存储在非易失性存储器中。

模式选择

CS	INC	U/D	模式
L		H	电容值增加
L		L	电容值减小
	H	X	存储电容位置
H	X	X	待机电流
	L	X	不存储，返回待机
	L	H	电容值增加（不推荐）
	L	L	电容值减小（不推荐）

单端模式和差分模式

• 单端模式：(C_{OUT }=frac{ Code }{31} cdot 7.0+7.5(pF))，其中 (0 leq Code leq 31)。
• 差分模式：(C_{OUT }= Code cdot 0.35+1.00(pF))，其中 (0 leq Code leq 31)。

应用场景

接收器后微调

在低成本再生接收器中，可用于微调电容，优化接收器的性能，提高接收信号的质量。

可调 RF 级

在可调 RF 电路中，X90100 能够根据需要灵活调整电容值，实现对 RF 信号的精确控制。

振荡器

适用于低成本、低温度漂移的振荡器，确保振荡器的稳定性和准确性。

其他应用

还可用于车库门开启器、无钥匙进入系统、工业无线控制、电容式传感器微调以及 RFID 标签等领域。

总结

Intersil X90100 非易失性电子可编程电容器以其出色的性能、简单的数字接口和广泛的应用场景，为电子工程师提供了一个强大的工具。在实际设计中，电子工程师可以根据具体需求合理选择和使用 X90100，以实现电路的优化和性能的提升。大家在使用过程中有没有遇到过一些特殊的问题呢？欢迎在评论区分享交流。