LTC6993系列单稳态脉冲发生器：功能特性与设计应用解析

在电子设计领域，单稳态脉冲发生器是一种常用的电路元件，可用于产生精确的脉冲信号，在众多应用场景中发挥着重要作用。今天，我们将深入探讨凌力尔特（现ADI）的LTC6993系列单稳态脉冲发生器，详细介绍其特性、工作原理、设计方法以及典型应用。

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一、LTC6993系列概述

LTC6993是TimerBlox®家族中的一员，是一款可编程单稳态多谐振荡器（也称为“单触发”脉冲发生器），脉冲宽度范围为1µs至33.6秒。该系列提供四种不同版本（LTC6993 - 1、LTC6993 - 2、LTC6993 - 3、LTC6993 - 4），可根据不同的触发信号极性和重触发能力进行选择。

（一）主要特性

1. 宽脉冲宽度范围：脉冲宽度范围从1µs到33.6秒，可通过1至3个电阻进行配置，满足不同应用的需求。
2. 高精度脉冲宽度：脉冲宽度误差小，对于脉冲宽度大于512µs，最大误差小于2.3%；8µs至512µs，误差小于3.4%；1µs至8µs，误差小于4.9%。
3. 多种触发和重触发选项：提供上升沿或下降沿触发，可选择可重触发或不可重触发版本，增加了设计的灵活性。
4. 可配置输出脉冲极性：可配置为正输出脉冲或负输出脉冲。
5. 低功耗与快速恢复：采用2.25V至5.5V单电源供电，在10µs脉冲宽度时电源电流为70µA，恢复时间快，启动时间为500µs。
6. 高驱动能力与宽温度范围：CMOS输出驱动器可提供/吸收20mA电流，工作温度范围为 - 55°C至125°C，适用于各种恶劣环境。
7. 多种封装形式：提供低剖面（1mm）SOT - 23（ThinSOT™）和2mm × 3mm DFN封装，并且符合AEC - Q100汽车应用标准。

（二）应用领域

LTC6993系列适用于多种应用场景，包括看门狗定时器、频率鉴别器、脉冲缺失检测、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的核心是一个最小周期为1µs的主振荡器，该振荡器由SET引脚电流（ISET）和电压（VSET）控制，转换因子为1µs/50kΩ，典型条件下精度为±1.7%。主振荡器的周期计算公式为： [t{MASTER }=frac{1 mu s}{50 k Omega} cdot frac{V{SET }}{I{SET }}] 反馈环路将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引脚之间连接一个电阻RSET，使得(I{SET}=V{SET} / R{SET})，此时主振荡器方程简化为： [t{MASTER }=1 mu s cdot frac{R{SET }}{50 k Omega}]

（二）脉冲宽度扩展

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。输出脉冲宽度计算公式为： [t{OUT }=frac{N{DIV } cdot R_{SET }}{50 k Omega} cdot 1 mu s] 其中，NDIV为分频器比值，由连接到DIV引脚的电阻分压器设置。

（三）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，主振荡器复位输出锁存。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：	器件型号	输入极性	重触发能力
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、设计方法

（一）基本设计步骤

1. 选择POL位设置：根据需要选择输出脉冲的极性，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：根据应用需求选择合适的输入极性（上升沿或下降沿）和重触发能力。
3. 选择NDIV分频器值：根据所需的输出脉冲宽度tOUT，选择合适的NDIV值，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值可能提供更好的精度。然后根据POL和NDIV选择合适的DIVCODE，并使用表1选择适当的电阻分压器或(V{DIV } / V^{+})比值应用于DIV引脚。
4. 计算并选择RSET：使用公式(R{S E T}=frac{50 k}{1 mu s} cdot frac{t{OUT }}{N_{D I V}})计算RSET的值，并选择最接近的标准电阻值。

（二）设计实例

设计一个满足以下要求的单触发电路：

• (t_{OUT }=100 mu s)
• 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：为了产生反向（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LTC6993 - 2。
3. 选择NDIV分频器值：使用(t{OUT }=100 mu s)，根据公式(6.25 leq N{DIV} leq 100)，潜在的NDIV设置包括8和64。选择(N{DIV }=8)，因为它通过使用大的RSET电阻来最小化电源电流。(POL =1)和(N{DIV }=8)需要(DIVCODE =14)，使用表1，选择(R 1 = 102k)和(R 2 = 976k)来编程(DIVCODE =14)。
4. 选择RSET：使用公式(R_{SET}=frac{50 k}{1 mu s} cdot frac{100 mu s}{8}=625 k)，由于625k不是标准的1%电阻，如果(tOUT)有 - 0.97%的偏移是可以接受的，则选择619k；否则，选择309k和316k的并联或串联组合以获得更精确的电阻。

四、典型应用电路

（一）脉冲缺失检测器

使用可重触发的单触发电路，输出反相。只要在(t_{OUT }=64 mu s)内发生重触发，输出就保持低电平。

（二）无线电控制伺服参考脉冲发生器

用于产生1.5ms的参考脉冲，帧速率为20ms。

（三）脉冲延迟发生器

可实现脉冲的延迟输出，例如将10µs的输入脉冲延迟100µs输出。

（四）RC伺服脉冲发生器控制的重触发锁定时间间隔

用于控制重触发的锁定时间间隔，确保系统的稳定性。

（五）带复位的阶梯发生器

在没有脉冲输入时，1.5ms后自动复位，产生阶梯信号。

（六）脉冲展宽器

可根据输入脉冲宽度产生成比例的斜坡电压，实现脉冲展宽。

（七）导通时间可编程的脉冲电磁阀驱动器

控制电磁阀的导通时间，例如实现5秒的导通时间。

（八）安全超时继电器驱动器

在输入脉冲丢失后，定时（5s）关闭继电器，确保系统安全。

五、注意事项

（一）ISET范围

ISET应在1.25µA至20µA范围内，以确保主振荡器在62.5kHz至1MHz的最精确范围内工作。当(I_{SET}<1.25 mu A)时，振荡器精度会降低，约500nA时振荡器停止；不建议主振荡器工作超过2MHz，否则DIV引脚ADC的精度会受到影响。

（二）建立时间

ISET发生2倍或0.5倍阶跃变化后，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。

（三）耦合误差

SET引脚对数字信号（如TRIG输入）的耦合敏感，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，以减少耦合误差。

（四）电源旁路和PCB布局

为了确保LTC6993的性能，应进行适当的电源旁路和合理的PCB布局。例如，将旁路电容C1直接连接到(V^{+})和GND引脚，使用低电感路径；将所有无源元件放置在电路板的顶层；将RSET尽可能靠近SET引脚并进行直接、短连接等。

LTC6993系列单稳态脉冲发生器以其宽脉冲宽度范围、高精度、多种触发和重触发选项等特性，为电子工程师提供了一个灵活、可靠的脉冲信号产生解决方案。在实际设计中，我们需要根据具体应用需求选择合适的版本和参数，并注意相关的注意事项，以确保电路的性能和稳定性。大家在使用LTC6993的过程中，有没有遇到过一些特别的问题或者有独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。