LTC6993系列单稳态脉冲发生器：特性、应用与设计指南

在电子设计领域，单稳态脉冲发生器是一种常见且重要的电路元件，它能够根据输入信号产生特定宽度的脉冲输出。LTC6993系列就是这样一款性能出色的单稳态脉冲发生器，下面我们就来详细了解一下它的特性、应用以及设计要点。

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一、LTC6993系列概述

LTC6993是TimerBlox家族中的一员，是一款可编程脉冲宽度在1µs到33.6秒之间的单稳态多谐振荡器（也称为“单触发”脉冲发生器）。该系列有LTC6993 - 1、LTC6993 - 2、LTC6993 - 3和LTC6993 - 4四个版本，可根据不同的触发信号极性和重触发能力进行选择。

特性亮点

1. 脉冲宽度范围广：脉冲宽度范围从1µs到33.6秒，能满足多种不同的应用需求。
2. 配置简单：通过1到3个电阻即可完成配置。
3. 高精度：不同脉冲宽度下的误差控制在一定范围内，如脉冲宽度 >512µs时，最大误差 <2.3%。
4. 多种触发和输出选项：支持上升沿或下降沿触发，可配置为可重触发或不可重触发，还能配置正或负输出脉冲。
5. 低功耗与宽电压范围：2.25V到5.5V单电源供电，10µs脉冲宽度时的电源电流仅70µA。
6. 快速恢复时间：能快速响应后续触发信号。
7. 宽温度范围：工作温度范围为 –55°C到125°C，适用于各种恶劣环境。
8. 多种封装形式：提供低轮廓（1mm）SOT - 23（ThinSOT™）和2mm × 3mm DFN封装，方便不同的设计需求。
9. 汽车级应用：经过AEC - Q100认证，可用于汽车应用。

二、工作原理

1. 主振荡器

LTC6993围绕一个最小周期为1µs的主振荡器构建。主振荡器由SET引脚的电流（ISET）和电压（VSET）控制，转换因子为1µs/50kΩ，在典型条件下精度可达 ±1.7%。通过反馈回路将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），此时主振荡器的周期公式为： [t{MASTER }=1 mu s cdot frac{R{SET }}{50 k Omega}]

2. 触发与输出

触发信号（TRIG引脚的上升或下降沿）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，主振荡器将输出锁存器复位。

3. 可编程分频器

LTC6993还包含一个可编程分频器，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]

4. DIVCODE设置

DIV引脚连接到一个内部的、以 (V^{+}) 为参考的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，只要 (V_{DIV } / V^{+}) 比例准确到 ±1.5%，驱动阻抗不超过500kΩ即可。

三、引脚功能

1. (V^{+}) （引脚1/引脚5）

电源电压（2.25V到5.5V），该电源应保持无噪声和纹波，需通过一个0.1µF的电容直接旁路到GND引脚。

2. DIV（引脚2/引脚4）

可编程分频器和极性输入。DIV引脚电压（ (V{DIV }) ）内部转换为4位结果（DIVCODE），可通过 (V^{+}) 和GND之间的电阻分压器生成。DIV引脚和电阻应与OUT引脚或其他有快速边沿的走线屏蔽，DIV引脚电容应限制在小于100pF，以确保 (V{DIV }) 快速稳定。

3. SET（引脚3/引脚3）

脉冲宽度设置输入。SET引脚电压（ (V_{SET}) ）被调节到高于GND 1V，从SET引脚流出的电流（ISET）对主振荡器频率进行编程。ISET电流范围为1.25µA到20µA，当ISET低于约500nA时，输出脉冲将无限期持续，当ISET再次增加时，脉冲将终止。为了获得最佳性能，建议使用0.5%或更好公差、50ppm/°C或更好温度系数的精密金属或薄膜电阻。SET引脚电容应限制在小于10pF，以最小化抖动并确保稳定性。

4. TRIG（引脚4/引脚1）

触发输入。根据版本不同，TRIG引脚的上升或下降沿将启动输出脉冲。LTC6993 - 1和LTC6993 - 2对上升沿敏感，LTC6993 - 3和LTC6993 - 4对下降沿敏感。LTC6993 - 2和LTC6993 - 4可重触发，允许在输出有效时通过额外的触发信号延长脉冲宽度；LTC6993 - 1/ LTC6993 - 3在输出脉冲终止前将忽略额外的触发输入。

5. GND（引脚5/引脚2）

接地，应连接到低电感接地平面以获得最佳性能。

6. OUT（引脚6/引脚6）

输出。OUT引脚从GND摆动到 (V^{+}) ，输出电阻约为30Ω。当驱动LED或其他低阻抗负载时，应使用串联输出电阻将源/灌电流限制在20mA。

四、设计步骤

1. 选择POL位设置

LTC6993可以根据POL位的设置生成正或负输出脉冲。POL位是DIVCODE的最高位，任何 (DIVCODE ≥8) 时 (POL =1) ，产生低电平有效脉冲。

2. 选择LTC6993版本

根据应用需求，确定TRIG是上升沿还是下降沿输入，以及是否允许重触发，然后参考相关表格选择合适的LTC6993版本。

3. 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 }) 应选择在以下范围内： [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 (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。可以参考相关表格选择合适的 (N{DIV }) 值和对应的电阻分压器或 (V_{DIV } / V^{+}) 比例。

4. 计算并选择 (R_{SET })

使用以下公式计算 (R{SET}) 的值： [R{SET}=frac{50 k}{1 mu s} cdot frac{t{OUT }}{N{DIV}}] 选择最接近计算值的标准电阻值。

五、应用领域

1. 看门狗定时器

用于监测系统运行状态，当系统出现故障或异常时，触发相应的保护措施。

2. 频率鉴别器

对输入信号的频率进行鉴别和分析。

3. 缺失脉冲检测

检测信号中是否存在脉冲缺失的情况。

4. 包络检测

提取信号的包络信息。

5. 高振动、高加速度环境

由于其宽温度范围和稳定性，适用于在恶劣环境下工作。

6. 便携式和电池供电设备

低功耗特性使其非常适合用于这类设备。

六、注意事项

1. ISET极端情况

当ISET超出推荐的1.25µA到20µA范围时，主振荡器的精度会降低。当 (I_{SET}<1.25 mu A) 时，振荡器仍能工作，但精度会下降；当ISET约为500nA时，振荡器将停止，输出脉冲将不会终止，直到ISET增加。不建议将主振荡器的频率超过2MHz，因为这会影响DIV引脚ADC的精度。

2. 建立时间

在ISET发生2×或0.5×阶跃变化后，输出脉冲宽度大约需要六个主时钟周期（ (6 cdot t_{MASTER }) ）才能稳定到最终值的1%以内。

3. 耦合误差

SET引脚对数字信号（如TRIG输入）的耦合很敏感，即使是良好的布局也会存在一定的耦合。在PCB布局时，应避免将SET引脚与TRIG引脚（或其他快速边沿、宽摆幅信号）相邻布线。

4. 电源电流

电源电流在器件空闲（等待触发）和触发后（计时电路激活）会有所不同。空闲时的电源电流（ (I{S(IDLE)}) ）随编程的 (t{OUT }) 和电源电压变化，触发后的瞬时电源电流增加到 (I{S(ACTIVE)}) ，平均增加量 (Delta I{S(ACTIVE) }) 取决于输出占空比。

5. 电源旁路和PCB布局

为了确保LTC6993的性能，需要进行适当的电源旁路和合理的PCB布局。旁路电容应直接连接到 (V^{+}) 和GND引脚，使用低电感路径；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，并直接短连接；使用接地走线屏蔽SET引脚；R1和R2应靠近DIV引脚。

七、总结

LTC6993系列单稳态脉冲发生器凭借其宽脉冲宽度范围、高精度、多种触发和输出选项以及低功耗等特性，在众多电子应用中具有广泛的应用前景。通过合理的设计和布局，工程师可以充分发挥其性能优势，满足不同的设计需求。你在使用LTC6993系列时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。