探索LTC6993：多功能单稳态脉冲发生器的设计与应用

在电子设计的广阔领域中，脉冲发生器是一种基础且关键的电路元件，它在各种电子系统里都发挥着重要作用。今天，我们要深入探讨的是凌力尔特（现ADI）公司推出的LTC6993系列单稳态脉冲发生器，它以其出色的性能和灵活的配置，为工程师们提供了丰富的设计可能性。

文件下载：LTC6993CS6-3#TRPBF.pdf

一、LTC6993系列概述

LTC6993属于TimerBlox®家族的一员，是一款可编程单稳态多谐振荡器（也被称为“单触发”脉冲发生器）。它的脉冲宽度范围极广，从1µs到33.6秒，能够满足不同应用场景下对脉冲宽度的需求。该系列共有四个型号，分别是LTC6993 - 1、LTC6993 - 2、LTC6993 - 3和LTC6993 - 4，它们在触发信号极性和可重触发能力方面有所不同，为设计提供了更多的灵活性。

1.1 主要特性

• 脉冲宽度范围广：1µs到33.6秒的脉冲宽度范围，通过1到3个电阻即可完成配置。
• 高精度：不同脉冲宽度下的最大误差控制在一定范围内，如脉冲宽度大于512µs时，误差小于2.3%。
• 灵活的触发和输出配置：支持上升沿或下降沿触发，可配置为可重触发或不可重触发模式，还能输出正脉冲或负脉冲。
• 低功耗和宽工作温度范围：单电源供电范围为2.25V到5.5V，在10µs脉冲宽度下，供电电流仅70µA，工作温度范围为 - 55°C到125°C。
• 多种封装形式：提供低外形（1mm）SOT - 23（ThinSOT™）和2mm × 3mm DFN封装，满足不同的应用需求。
• 汽车级应用认证：经过AEC - Q100认证，适用于汽车应用。

1.2 应用场景

LTC6993的应用十分广泛，包括但不限于看门狗定时器、频率鉴别器、缺失脉冲检测、包络检测等。在高振动、高加速度环境以及便携式和电池供电设备中，它也能稳定工作。

二、工作原理与配置

2.1 内部振荡器与脉冲宽度控制

LTC6993围绕一个最小周期为1µs的主振荡器构建。主振荡器的频率由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%。通过在SET和GND引脚之间连接一个电阻（RSET），可以产生ISET电流，从而控制脉冲宽度。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 }}] 当使用单个编程电阻RSET时，VSET的漂移不会影响脉冲宽度，误差主要来源于RSET的公差和LTC6993固有的脉冲宽度精度。

2.2 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NDIV由连接到DIV引脚的电阻分压器设置，输出脉冲宽度的计算公式为： [t{OUT }=frac{N{DIV } cdot R_{SET }}{50 k Omega} cdot 1 mu s]

2.3 DIVCODE配置

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主要用于设置两个参数：一是频率分频器的设置NDIV，二是OUT引脚的极性（通过POL位）。通过合理选择电阻分压器，可以准确设置DIVCODE值，进而实现对脉冲宽度和输出极性的控制。

三、设计步骤与实例

3.1 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：根据需求确定输出脉冲的极性，POL位是DIVCODE的最高有效位，当(DIVCODE ≥ 8)时，(POL = 1)，输出低电平有效脉冲。
2. 选择LTC6993型号：根据触发信号的类型（上升沿或下降沿）和是否需要可重触发功能，选择合适的型号。
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})。为了最小化供电电流，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：根据公式(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。

3.2 设计实例

假设我们要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

按照上述设计步骤：

1. 选择POL位设置：为了获得负输出脉冲，选择(POL = 1)。
2. 选择LTC6993型号：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(t{OUT } = 100 mu s)，计算得到(6.25 leq N{DIV} leq 100)，可选的设置包括8和64。为了最小化供电电流，选择(N{DIV } = 8)，此时(POL = 1)且(N{DIV } = 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：根据公式计算(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，如果允许(tOUT)有 - 0.97%的偏移，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电阻值。

四、电压控制与其他特性

4.1 电压控制的脉冲宽度

通过添加一个额外的电阻，LTC6993的输出脉冲宽度可以由外部电压控制。外部电压VCTRL通过电阻RMOD来改变ISET电流，从而调制脉冲宽度，计算公式为： [t{OUT }=frac{N{DIV } cdot R{MOD}}{50 k Omega} cdot frac{1 mu s}{1+frac{R{MOD}}{R{SET }}-frac{V{CTRL }}{V_{SET }}}]

4.2 数字脉冲宽度控制

控制电压可以由DAC（数模转换器）产生，实现数字控制的脉冲宽度。如果使用允许外部参考的DAC，可以通过缓冲VSET并将其用作DAC的参考电压，来消除VSET的依赖性，从而提高精度。

4.3 其他特性

• 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ISET低于约500nA时，振荡器将停止，输出脉冲将持续到ISET增加且主振荡器重新启动。
• 建立时间：在ISET发生2倍或0.5倍的阶跃变化后，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。
• 耦合误差：SET引脚对数字信号（如TRIG输入）的耦合比较敏感，即使是良好的布局也会存在一定的耦合。因此，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。

五、电源旁路与PCB布局

为了确保LTC6993的性能，正确的电源旁路和PCB布局至关重要。以下是一些布局指南：

1. 旁路电容连接：将旁路电容C1直接连接到V + 和GND引脚，使用低电感路径。对于DCB封装，C1到GND的连接可以在顶层完成；对于SOT - 23封装，OUT可以通过C1的焊盘布线，以实现良好的C1到GND连接。如果PCB设计规则不允许，C1到GND的连接可以通过多个过孔连接到接地平面，以最小化电感。C1应选择0.1µF的陶瓷电容。
2. 被动元件放置：将所有被动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、短的连接。SET引脚是一个电流求和节点，注入该引脚的电流会直接调制输出脉冲宽度，短连接可以减少信号拾取。
4. RSET接地：将RSET直接连接到GND引脚，虽然使用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。
5. SET引脚屏蔽：使用接地走线屏蔽SET引脚，以提供额外的保护，防止辐射信号干扰。
6. R1和R2放置：将R1和R2靠近DIV引脚放置，直接、短的连接可以最小化外部信号耦合。

六、典型应用案例

LTC6993在实际应用中有许多成功的案例，以下是一些典型的应用：

6.1 缺失脉冲检测器

使用可重触发的单触发模式，并将输出反转。只要在(t_{OUT } = 64 mu s)内发生重触发，输出将保持低电平。

6.2 无线电控制伺服参考脉冲发生器

用于生成1.5ms的参考脉冲，为无线电控制伺服系统提供稳定的信号。

6.3 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。

七、总结

LTC6993系列单稳态脉冲发生器以其广泛的脉冲宽度范围、高精度、灵活的配置和低功耗等优点，成为电子工程师在设计中值得信赖的选择。通过合理的设计和布局，能够充分发挥其性能，满足各种应用场景的需求。无论是在工业控制、汽车电子还是便携式设备中，LTC6993都能展现出其独特的优势。希望本文能为电子工程师们在使用LTC6993进行设计时提供一些参考和帮助。你在实际应用中遇到过哪些关于LTC6993的问题呢？欢迎在评论区分享交流。