深入解析LTC6993系列：高性能单稳态多谐振荡器的设计与应用

引言

在电子设计领域，精准且灵活的定时控制至关重要。LTC6993系列单稳态多谐振荡器（也被称为“单触发脉冲发生器”）正是满足这类需求的理想之选。它作为TimerBlox家族的一员，凭借其可精确编程的脉冲宽度和丰富的功能特性，广泛应用于众多领域。本文将详细介绍LTC6993的特性、工作原理、应用设计以及相关注意事项，希望能为电子工程师们在实际设计中提供有价值的参考。

文件下载：LTC6993IDCB-2#TRPBF.pdf

一、特性概述

可精确编程的脉冲宽度

LTC6993能够实现1µs至33.6秒的可编程脉冲宽度，通过单个电阻RSET设定内部主振荡器频率，从而确定时间基准。再结合可编程的内部时钟分频器NDIV（有8种设置，从1到221），精准控制输出脉冲宽度。计算公式为：tOUT = NDIV • (RSET / 50kΩ) • 1µs 。这种设计方式为工程师提供了极大的灵活性，能满足不同应用场景下的脉冲宽度需求。

丰富的触发选项

该系列共有四种版本，分别提供不同的触发信号极性（上升沿或下降沿触发）和可重触发能力（可重触发或不可重触发）。具体如下：	型号	触发极性	可重触发
LTC6993 - 1	上升沿	否
LTC6993 - 2	上升沿	是
LTC6993 - 3	下降沿	否
LTC6993 - 4	下降沿	是

工程师可以根据实际需求，灵活选择合适的型号。

其他特性

• 低误差率：在不同的脉冲宽度范围内，误差率得到了很好的控制。例如，脉冲宽度 > 512µs时，最大误差 < 2.3%；脉冲宽度在8µs至512µs之间时，最大误差 < 3.4%；脉冲宽度在1µs至8µs之间时，最大误差 < 4.9% 。
• 宽电源电压范围：支持2.25V至5.5V的单电源操作，能适应多种电源环境。
• 低功耗：在10µs脉冲宽度时，电源电流仅为70µA，适合电池供电的便携式设备。
• 快速启动时间：启动时间仅为500µs，能快速进入工作状态。
• 强大的输出驱动能力：CMOS输出驱动器可源/灌20mA电流，能直接驱动多种负载。
• 宽工作温度范围：工作温度范围为 - 55°C至125°C，可适应恶劣的工作环境。
• 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。
• 汽车级应用认证：经过AEC - Q100认证，可用于汽车应用，保证了在汽车环境中的可靠性。

二、工作原理

主振荡器控制

LTC6993的核心是一个主振荡器，其最小周期为1µs。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，VSET被维持在1V ±30mV，因此ISET成为控制脉冲宽度的主要因素。最简单的方法是在SET和GND之间连接一个电阻RSET，使得ISET = VSET / RSET，此时主振荡器的周期公式可简化为：tMASTER = (1µs • RSET) / 50kΩ 。

触发与脉冲生成

当TRIG引脚出现触发信号（上升沿或下降沿，取决于具体型号）时，输出被锁存到有效状态，开始输出脉冲。同时，主振荡器被启用，用于计时输出脉冲的持续时间。当达到所需的脉冲宽度时，主振荡器重置输出锁存器，结束脉冲输出。

可编程分频器

LTC6993还包含一个可编程频率分频器，可将频率进一步除以1、8、64、512、4096、215、218或221，从而延长脉冲宽度。分频比NDIV由连接到DIV引脚的电阻分压器设置，最终输出脉冲宽度的计算公式为：tOUT = NDIV • (RSET / 50kΩ) • 1µs 。

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主要有两个作用：一是确定频率分频器的设置NDIV；二是通过POL位确定OUT引脚的极性。VDIV可以通过V + 和GND之间的电阻分压器生成，使用1%的电阻可确保结果准确。同时，要注意VDIV/V + 比率的精度需控制在 ±1.5%以内，驱动阻抗不超过500kΩ 。

三、应用设计

基本操作设计步骤

1. 选择POL位设置

根据需要生成正脉冲或负脉冲，选择合适的POL位。当DIVCODE ≥ 8时，POL = 1，输出为低电平有效脉冲；否则，输出为高电平有效脉冲。

2. 选择LTC6993版本

根据触发信号的极性（上升沿或下降沿）以及是否需要可重触发功能，从四种型号中选择合适的版本。

3. 选择NDIV频率分频器值

对于给定的输出脉冲宽度tOUT，NDIV应满足以下范围：(tOUT / 16µs) ≤ NDIV ≤ (tOUT / 1µs) 。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。可以参考表1来选择合适的NDIV值和对应的电阻分压器设置。

4. 计算并选择RSET

使用公式RSET = (50k / 1µs) • (tOUT / NDIV) 计算RSET的值，并选择最接近的标准电阻值。如果计算值不是标准电阻值，可以考虑使用并联或串联电阻来达到更精确的阻值。

示例设计

设计一个满足以下要求的单触发电路：tOUT = 100µs，负输出脉冲，上升沿触发输入，可重触发输入，最小功耗。

1. 选择POL位设置

为了得到负输出脉冲，选择POL = 1 。

2. 选择LTC6993版本

上升沿可重触发输入需要选择LTC6993 - 2 。

3. 选择NDIV频率分频器值

根据公式(100µs / 16µs) ≤ NDIV ≤ (100µs / 1µs) ，NDIV的可能设置为8和64 。为了最小化电源电流，选择NDIV = 8 。此时，POL = 1且NDIV = 8需要DIVCODE = 14 。根据表1，选择R1 = 102k和R2 = 976k来设置DIVCODE = 14 。

4. 选择RSET

使用公式RSET = (50k / 1µs) • (100µs / 8) = 625k 。由于625k不是标准的1%电阻，如果允许 - 0.97%的tOUT偏移，可以选择619k；否则，可以选择309k和316k的并联或串联组合来获得更精确的阻值。

电压控制脉冲宽度

通过增加一个电阻RMOD，LTC6993的输出脉冲宽度可以由外部电压VCTRL控制。VCTRL通过RMOD源/灌电流，改变ISET电流，从而调制脉冲宽度。计算公式为：tOUT = (NDIV • RMOD / 50kΩ) • (1µs / (1 + (RMOD / RSET) - (VCTRL / VSET))) 。

数字脉冲宽度控制

可以使用DAC（数模转换器）生成控制电压，实现数字控制的脉冲宽度。为了消除VSET的依赖性，可以缓冲VSET并将其用作DAC的参考电压。

四、注意事项

ISET极端情况

当ISET超出推荐的1.25µA至20µA范围时，主振荡器的频率会超出62.5kHz至1MHz的最精确范围。当ISET < 1.25µA时，振荡器仍可工作，但精度会降低；当ISET约为500nA时，振荡器会停止，输出脉冲将持续到ISET增加且主振荡器重新启动。同时，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。

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 • tMASTER）才能稳定到最终值的1%以内。

耦合误差

SET引脚的电流用于偏置内部主振荡器，LTC6993对ISET的变化响应迅速，但这也使得SET引脚对数字信号（如TRIG输入）的耦合敏感。即使是良好的布局也会存在一定的耦合，因此在NDIV = 1的精度规格中已经考虑了这一额外误差。PCB布局应避免将SET与TRIG（或其他快速边沿、宽摆幅信号）相邻布线。

电源电流

在空闲状态下，电源电流IS(IDLE)会随着编程的tOUT和电源电压而变化。触发后，当定时电路工作时，瞬时电源电流会增加到IS(ACTIVE) 。IS(ACTIVE) = IS(IDLE) + ∆IS(ACTIVE) ，其中∆IS(ACTIVE)取决于输出占空比。可以使用表2中的公式估算IS(IDLE)和∆IS(ACTIVE) 。

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。具体建议如下：

• 直接使用低电感路径将旁路电容C1连接到V + 和GND引脚。对于DCB封装，C1与GND的连接可在顶层完成；对于SOT - 23封装，如果PCB设计规则允许，OUT可以通过C1焊盘布线以实现良好的C1 GND连接。建议使用多个过孔将GND引脚和C1连接到接地平面，以最小化电感。C1应选择0.1µF的陶瓷电容。
• 将所有无源元件放置在电路板的顶层，以最小化走线电感。
• 将RSET尽可能靠近SET引脚，并进行直接、短的连接，以减少信号拾取。
• 将RSET直接连接到GND引脚，虽然长路径或过孔连接到接地平面对精度影响不大，但直接、短的连接是推荐的。
• 使用接地走线屏蔽SET引脚，以提供额外的辐射信号保护。
• 将R1和R2靠近DIV引脚放置，直接、短的连接可减少外部信号耦合。

五、典型应用

LTC6993系列在多个领域都有广泛的应用，以下是一些典型应用示例：

缺失脉冲检测器

使用可重触发的单触发电路，输出反相。只要在tOUT = 64µs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

可生成1.5ms的参考脉冲，用于无线电控制伺服系统。

脉冲延迟发生器

可以实现脉冲的延迟输出，例如将10µs的输入脉冲延迟100µs后输出。

脉冲展宽器

将输入的1µs至10µs的脉冲宽度展宽。

可编程脉冲电磁阀驱动器和安全超时继电器驱动器

可实现定时控制，如控制电磁阀的开启时间或在输入脉冲丢失后进行定时关闭。

六、总结

LTC6993系列单稳态多谐振荡器以其精确的脉冲宽度控制、丰富的功能特性和广泛的应用场景，为电子工程师提供了强大的定时解决方案。在设计过程中，工程师需要根据具体需求选择合适的型号和参数，并注意ISET范围、建立时间、耦合误差、电源电流和PCB布局等方面的问题，以确保电路的性能和稳定性。希望本文能帮助工程师更好地理解和应用LTC6993系列产品，在实际设计中取得更好的效果。

你在使用LTC6993系列产品的过程中遇到过哪些问题？或者你对其应用还有哪些疑问？欢迎在评论区留言讨论。