探索LTC6994-1/LTC6994-2：多功能可编程延迟块的设计与应用

在电子设计的领域中，精确的延迟控制和信号处理是许多应用的核心需求。今天，我们将深入探讨Linear Technology（现ADI）的LTC6994-1/LTC6994-2可编程延迟块，这两款器件属于TimerBlox®系列，为我们提供了从1µs到33.6秒的宽延迟范围，适用于各种噪声过滤、脉冲限定和开关消抖等应用。

文件下载：LTC6994HS6-2#WTRMPBF.pdf

一、特性亮点

1. 宽延迟范围与高精度

LTC6994-1/LTC6994-2的延迟范围从1µs到33.6秒，通过1到3个电阻即可轻松配置。在延迟精度方面，对于延迟大于512µs的情况，最大误差小于2.3%；延迟在8µs到512µs之间，误差小于3.4%；延迟在1µs到8µs之间，误差小于5.1%，能够满足大多数应用对延迟精度的要求。

2. 低功耗与宽电源电压范围

该器件采用2.25V至5.5V的单电源供电，在10µs延迟时，电源电流仅为70µA，非常适合便携式和电池供电设备。同时，其启动时间仅为500µs，能够快速进入工作状态。

3. 强大的输出驱动能力

CMOS输出驱动源/漏电流可达20mA，能够直接驱动多种负载，如LED等。此外，它的工作温度范围为 -55°C至125°C，适用于各种恶劣环境。

4. 丰富的封装选择与汽车应用认证

提供低剖面（1mm）的SOT-23（ThinSOT™）和2mm × 3mm DFN封装，方便不同的PCB布局需求。而且，该器件通过了AEC-Q100认证，可用于汽车应用。

二、应用场景

1. 噪声鉴别与脉冲限定

在存在噪声干扰的信号环境中，LTC6994可以作为噪声鉴别器或脉冲限定器，过滤掉短时间的噪声脉冲，只允许符合设定条件的信号通过。

2. 延迟匹配

在需要精确延迟匹配的电路中，如多通道信号处理系统，LTC6994能够提供精确的延迟，确保信号的同步性。

3. 开关消抖

对于机械开关或按钮，LTC6994可以消除开关抖动产生的噪声，提供稳定的输出信号。

4. 高振动与高加速度环境

由于其宽工作温度范围和稳定的性能，LTC6994适用于高振动和高加速度的工业或汽车环境。

三、工作原理

1. 内部振荡器与时钟分频

LTC6994基于一个最小周期为1µs的主振荡器，该振荡器由SET引脚的电流（ISET）和电压（VSET）控制，转换因子为1µs/50kΩ，典型条件下精度可达±1.7%。通过连接一个电阻（RSET）在SET和GND之间，可以简单地生成ISET，从而控制主振荡器的频率。同时，内部的可编程分频器可以将频率进一步分频为1, 8, 64, 512, 4096, (2^{15}), (2^{18})或 (2^{21})，从而扩展延迟时间。

2. 延迟计算公式

输入到输出的延迟时间（tDELAY）由主振荡器和分频系数（NDIV）决定，计算公式为： [t{DELAY }=frac{N{DIV} cdot R_{SET}}{50 k Omega} cdot 1 mu s]

四、引脚功能与配置

1. 电源与接地引脚

(V^{+})（Pin 1/Pin 5）为电源引脚，电压范围为2.25V至5.5V，需要使用0.1µF的电容直接旁路到GND引脚，以减少噪声和纹波。GND（Pin 5/Pin 2）为接地引脚，应连接到低电感的接地平面，以确保最佳性能。

2. 可编程分频与极性输入引脚

DIV（Pin 2/Pin 4）为可编程分频和极性输入引脚，其电压（VDIV）通过内部的4位A/D转换器转换为DIVCODE，用于设置分频系数（NDIV）和极性（POL）。在配置时，建议使用1%的电阻来确保精度，并将DIV引脚和电阻与OUT引脚或其他快速边沿信号隔离，同时限制DIV引脚的电容小于100pF，以确保VDIV快速稳定。

3. 延迟设置输入引脚

SET（Pin 3/Pin 3）为延迟设置输入引脚，其电压（VSET）被调节到1V以上GND，通过设置ISET电流来编程主振荡器的频率。ISET电流范围为1.25µA至20µA，当ISET低于约500nA时，延迟输出不会发生，直到ISET再次增加。为了获得最佳性能，建议使用精度为0.5%或更好、温度系数为50ppm/°C或更好的精密金属或薄膜电阻，并限制SET引脚的电容小于10pF，以减少抖动和确保稳定性。

4. 逻辑输入与输出引脚

IN（Pin 4/Pin 1）为逻辑输入引脚，根据版本和POL位设置，IN引脚的上升或下降沿将在可编程延迟后传播到OUT引脚。OUT（Pin 6/Pin 6）为输出引脚，输出从GND到 (V^{+})摆动，输出电阻约为30Ω，当驱动低阻抗负载时，应使用串联输出电阻来限制源/漏电流到20mA。

五、设计步骤与示例

1. 基本设计步骤

• 步骤1：选择器件版本和POL位设置
  • 若只需延迟一个（上升或下降）输入过渡，选择LTC6994-1，通过POL位定义延迟的边沿。(POL=0)延迟上升沿，(POL =1)延迟下降沿。
  • 若需要延迟上升和下降沿，选择LTC6994-2，设置 (POL=0)为正常操作，或 (POL =1)反转输出。
• 步骤2：选择 (N_{DIV })频率分频值 根据所需的延迟时间（tDELAY），选择合适的 (N{DIV })值，使其满足以下范围： [frac{t{DELAY }}{16 mu s} leq N{DIV } leq frac{t{DELAY }}{1 mu s}] 为了最小化电源电流，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。
• 步骤3：计算并选择 (R_{SET}) 使用以下方程计算 (R{SET})的值： [R{S E T}=frac{50 k}{1 mu s} cdot frac{t{D E L A Y}}{N{D I V}}] 选择最接近计算值的标准电阻值。

2. 设计示例

设计一个电路，将下降沿延迟 (t_{DELAY }=100 mu) s，并最小化功耗。

• 步骤1：选择器件版本和POL位设置 选择LTC6994-1，设置 (POL =1)以延迟下降沿。
• 步骤2：选择 (N_{DIV })频率分频值 使用 (t{DELAY }=100 mu) s，计算 (N{DIV })的范围为 (6.25 leq N{DIV} leq 100)，选择 (N{DIV }=8)，此时 (DIVCODE =14)。根据表1，选择 (R 1=102 k)和 (R2 = 976k)来设置 (DIVCODE =14)。
• 步骤3：选择 (R_{SET}) 使用公式计算 (R{SET})的值为： [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，若允许 (t_{DELAY })有 -0.97%的偏移，可选择619k电阻；否则，可选择309k和316k的并联或串联电阻对以获得更精确的电阻值。

六、其他特性与注意事项

1. 电压控制延迟

通过添加一个额外的电阻 (R{MOD})，可以使用外部电压 (V{CTRL})来控制LTC6994的输出延迟，延迟时间计算公式为： [t{DELAY }=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}}}]

2. 数字延迟控制

可以使用DAC（数模转换器）生成控制电压，实现数字控制延迟。为了消除 (V{SET})的影响，可使用缓冲后的 (V{SET})作为DAC的参考电压。

3. ISET极端情况

当ISET超出推荐的1.25µA至20µA范围时，主振荡器的频率将超出62.5kHz至1MHz的最佳精度范围。当ISET低于500nA时，振荡器将停止，延迟计时将暂停，直到ISET再次增加。不建议将主振荡器的频率超过2MHz，以免影响DIV引脚ADC的精度。

4. 建立时间

在ISET发生2倍或0.5倍的阶跃变化后，输出延迟大约需要6个主时钟周期（(6 cdot t_{MASTER })）才能稳定到最终值的1%以内。

5. 耦合误差

SET引脚对数字信号的耦合比较敏感，因此在PCB布局时，应避免将SET引脚与IN引脚（或其他快速边沿、宽摆幅信号）相邻布线，以减少耦合误差。

6. 电源电流

器件的电源电流分为空闲电流（IS(IDLE)）和活动电流（IS(ACTIVE)）。空闲电流根据不同的 (N{DIV })和 (t{DELAY })有不同的计算公式，活动电流则在输入过渡启动延迟计时时增加，可通过相关公式进行估算。

7. 电源旁路和PCB布局

为了确保LTC6994的性能，应进行适当的电源旁路和合理的PCB布局。包括使用低电感路径连接旁路电容到 (V^{+})和GND引脚，将所有无源元件放置在电路板的顶层，将 (R_{SET})尽可能靠近SET引脚并直接连接到GND引脚，使用接地迹线屏蔽SET引脚，以及将 (R1)和 (R2)靠近DIV引脚连接等。

七、典型应用电路

1. 延迟单稳态触发器

通过LTC6994-1和LTC6993-1的组合，可以实现延迟单稳态触发功能，产生指定延迟和脉宽的脉冲信号。

2. 脉冲展宽器

使用LTC6994-1可以实现脉冲展宽功能，使输出脉冲宽度等于输入脉冲宽度加上一个固定的延迟时间。

3. 开关/继电器消抖

LTC6994-2可以用于开关或继电器的消抖，确保输出信号在输入稳定一段时间后才发生变化。

4. 边沿抖动滤波器

通过设置合适的延迟时间，LTC6994-2可以过滤掉输入信号中的边沿抖动，只允许稳定的信号通过。

5. 交叉门先断后合间隔定时器

在需要先断后合操作的电路中，LTC6994-1可以提供精确的延迟时间，确保在切换过程中有足够的断开间隔。

6. 按压保持延迟定时器

使用LTC6994-1可以实现按压保持延迟功能，在输入信号保持一段时间后才输出相应的信号。

八、总结

LTC6994-1/LTC6994-2可编程延迟块以其宽延迟范围、高精度、低功耗和丰富的功能，为电子工程师提供了一个强大的工具，适用于各种需要精确延迟控制和信号处理的应用场景。通过合理的设计和布局，可以充分发挥其性能优势，为电路设计带来更多的可能性。在实际应用中，我们需要根据具体的需求选择合适的器件版本和参数，并注意一些关键的设计要点，以确保电路的稳定性和可靠性。你在使用类似可编程延迟块时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。