LTC6991：长时精准计时的理想硅振荡器

在电子设计领域，精准的长时计时是许多应用场景的关键需求。今天，我们就来深入了解一款专为长时计时事件设计的硅振荡器——LTC6991。

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一、LTC6991 特性概览

1. 广泛的周期范围

LTC6991 的周期范围从 1ms 到 9.5 小时，如此宽广的范围使其能适应各种不同的计时需求。无论是短时间的脉冲控制，还是长时间的周期性事件，它都能轻松应对。

2. 简单的配置方式

只需 1 到 3 个电阻就能完成配置，这大大简化了设计过程，降低了设计成本和复杂度。

3. 高精度的频率控制

最大频率误差小于 1.5%，确保了计时的准确性。在对时间精度要求较高的应用中，LTC6991 能够提供可靠的计时保障。

4. 实用的输出重置功能

输出重置功能可以灵活控制输出脉冲，根据实际需求调整占空比，增加了设计的灵活性。

5. 宽电压范围与低功耗

支持 2.25V 到 5.5V 的单电源操作，并且在 2ms 到 9.5hr 时钟周期内，电源电流仅为 55µA 到 80µA，非常适合便携式和电池供电设备。

6. 快速启动与强驱动能力

启动时间仅为 500µs，能够快速进入工作状态。CMOS 输出驱动器可源出/吸收 20mA 电流，具备较强的驱动能力。

7. 宽温度范围与多种封装

工作温度范围为 -55°C 到 125°C，适用于各种恶劣环境。同时提供低外形（1mm）SOT - 23（ThinSOT™）和 2mm × 3mm DFN 封装，方便不同的设计需求。

8. 汽车应用认证

经过 AEC - Q100 认证，可用于汽车应用，满足汽车电子对可靠性和稳定性的严格要求。

二、LTC6991 工作原理

1. 主振荡器控制

LTC6991 围绕一个最大频率为 1MHz 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 1MHz • 50k，在典型条件下精度可达 ±0.8%。通过连接一个电阻（RSET）在 SET 和 GND 之间，可以简单地生成 ISET，从而控制输出频率。

2. 频率分频

振荡器频率在到达 OUT 引脚之前，先经过一个固定的 ÷1024 分频器，然后再通过一个可编程频率分频器进一步分频。可编程分频器可以将频率除以 1、8、64、512、4096、2¹⁵、2¹⁸ 或 2²¹，分频比 (N_{DIV }) 由连接到 DIV 引脚的电阻分压器设置。

3. DIVCODE 编程

DIV 引脚连接到一个内部的 (V^{+}) 参考 4 位 A/D 转换器，用于确定 DIVCODE 值。DIVCODE 不仅决定了输出频率分频设置 (N_{DIV })，还通过 POL 位决定了 RST 和 OUT 引脚的极性。

三、LTC6991 引脚功能

1. (V^{+}) 引脚

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

2. DIV 引脚

可编程分频和极性输入引脚。通过监测 DIV 引脚电压（(V{DIV })），A/D 转换器确定 4 位结果（DIVCODE）。为确保准确结果，建议使用 1% 电阻，并将 DIV 引脚和电阻屏蔽，避免受到 OUT 引脚或其他快速边沿信号的干扰。同时，要将 DIV 引脚的电容限制在小于 100pF，以确保 (V{DIV }) 快速稳定。

3. SET 引脚

频率设置输入引脚。SET 引脚的电压（VSET）被调节到高于 GND 1V，通过连接一个电阻在 SET 和 GND 之间，可以设置主振荡器频率。为获得最佳性能，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。同时，将 SET 引脚的电容限制在小于 10pF，以最小化抖动并确保稳定性。

4. RST 引脚

输出重置引脚。其行为取决于极性位（POL）的设置。当 (POL = 0) 时，RST 为高电平有效，将 OUT 引脚拉低；当 (POL = 1) 时，RST 为低电平有效，将 OUT 引脚拉高。

5. GND 引脚

接地引脚，应连接到低电感接地平面，以获得最佳性能。

6. OUT 引脚

振荡器输出引脚，输出从 GND 到 (V^{+}) 摆动，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/沉电流限制在 20mA。

四、LTC6991 应用信息

1. 基本操作设计步骤

• 选择 POL 位设置：根据应用需求选择正常（高电平有效）或反相（低电平有效）模式。
• 选择 (N_{DIV }) 频率分频值：根据所需的输出时钟周期，选择合适的 (N{DIV }) 值，使其满足 (frac{t{OUT }}{16.384 ms} leq N{DIV } leq frac{t{OUT }}{1.024 ms})。为了最小化电源电流，通常选择最低的 (N_{DIV }) 值。
• 计算并选择 RSET：使用公式 (R{SET }=frac{50 k}{1.024 ms} cdot frac{t{OUT }}{N{DIV }}) 计算 (R{SET}) 的值，并选择最接近的标准电阻值。

2. 典型应用场景

• “唤醒定时器”：通过 RST 引脚的输出锁存重置功能，LTC6991 可以定期启用更大的系统，实现系统的定时唤醒，从而降低功耗。
• 自复位电路：利用 RST 引脚的迟滞特性，结合 RC 时间常数，可以实现自复位功能，产生每个周期一次的可控脉冲。
• 电压控制频率：通过一个额外的电阻，LTC6991 的输出频率可以由外部电压控制，实现电压控制振荡器的功能。
• 数字频率控制：使用 DAC 生成控制电压，可以实现数字控制频率，通过缓冲 (VSET) 并将其用作 DAC 的参考电压，可以消除 (VSET) 变化带来的误差。

五、LTC6991 设计注意事项

1. 电源旁路和 PCB 布局

• 旁路电容 C1 应直接连接到 (V^{+}) 和 GND 引脚，使用低电感路径。对于 DFN 封装，C1 到 GND 的连接可以在顶层完成；对于 TSOT - 23 封装，可以通过 C1 焊盘连接 OUT 引脚，以实现良好的 C1 接地连接。
• 所有无源组件应放置在电路板的顶层，以最小化走线电感。
• RSET 应尽可能靠近 SET 引脚，并直接、短连接。同时，使用接地走线屏蔽 SET 引脚，以防止辐射信号干扰。
• R1 和 R2 应靠近 DIV 引脚，直接、短连接到 DIV 引脚，以最小化外部信号耦合。

2. 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 小于 1.25µA 时，振荡器仍可工作，但精度会下降；当 ISET 约为 500nA 时，振荡器输出将冻结。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。

3. 频率调制和稳定时间

LTC6991 对 ISET 的变化响应带宽为 -3dB 时可达 (0.4 cdot f_{OUT })。在 ISET 发生 2× 或 0.5× 阶跃变化后，输出频率在不到一个周期内即可稳定到最终值的 1% 以内。

4. 电源电流

电源电流随频率、电源电压和输出负载而变化，可以使用公式 (S(TYP) approx V^{+} cdot f{MASTER } cdot 7.8 pF+frac{V^{+}}{420 k Omega}+frac{V^{+}}{2 cdot R{LOAD }} +1.8 cdot I{SET }+50 mu A) 进行估算（适用于 (C{LOAD}<1 nF) 且输出占空比为 50% 的情况）。

六、总结

LTC6991 作为一款功能强大的硅振荡器，凭借其广泛的周期范围、高精度的频率控制、简单的配置方式和丰富的功能特性，在长时计时应用中具有显著优势。无论是在工业控制、汽车电子还是便携式设备等领域，LTC6991 都能为工程师提供可靠的计时解决方案。在实际设计中，我们需要根据具体应用需求，合理选择引脚配置和参数设置，并注意电源旁路和 PCB 布局等方面的问题，以充分发挥 LTC6991 的性能优势。大家在使用 LTC6991 过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。