概述
LM293是一款雙路電壓比較器集成電路，廣泛應用于各類模擬信號檢測與比較場合。作為經典的運算放大器家族中的重要成員，LM293具有響應速度快、功耗低、輸出形式靈活等優勢，可以在不同的電源環境下穩定工作。它內部集成了兩個獨立的比較器，每個比較器包含一個差分輸入級、一個電流鏡負載以及一個推挽式開漏輸出級，能夠有效地將模擬信號與預設閾值相比較，從而產生邏輯電平輸出，并在微控制器、數字系統或其他模擬電路中發揮關鍵作用。LM293的出現滿足了對低功耗、高精度比較需求的不斷增長，為電子設計工程師提供了更加靈活、可靠的方案。此款器件可在較寬的電源電壓范圍內工作（通常為2V至36V），輸入共模電壓范圍覆蓋負電源軌，從而實現更高的設計便捷性。

發展歷史
電壓比較器的概念和應用由來已久，早期的電子電路往往使用單獨的分立晶體管或電子管來實現信號比較功能。隨著集成電路技術的進步，人們開始將多個晶體管、電阻等元件集成到一個芯片中，形成更為緊湊、高效的比較器。最初在20世紀60年代下半葉，Fairchild公司推出了LM111等開關型比較器，使得基于閾值電平的檢測更加穩定可靠。隨后，National Semiconductor（現為德州儀器的一部分）推出了LM2901、LM393等低功耗雙路比較器產品。在此基礎上，制造商不斷優化設計，推出新的型號以適應更為嚴格的性能需求。LM293可以看作是LM393家族的同系列替代品，它在繼承了前代產品優秀性能的同時，對輸出結構、共模輸入電壓范圍和溫漂特性等方面做了進一步改進，使其在工業控制、通信設備、汽車電子等領域得到更為廣泛的應用。

主要功能與特點
LM293擁有以下顯著功能與特點：

• 雙通道獨立比較
  每個比較通道在內部均為完全獨立的結構，相互之間互不干擾。單一芯片內包含兩個差分輸入端和兩個開漏輸出端，可以同時比較兩個不同的模擬信號，并分別輸出數字邏輯電平。

• 寬電源工作范圍
  LM293的工作電壓范圍通常為2V至36V（單電源），或±1V至±18V（雙電源）。該寬范圍使得LM293可適配于各種工業級、電池供電或通信設備電路，設計靈活性更高。

• 共模輸入電壓范圍覆蓋負軌
  輸入共模電壓范圍可下至負電源軌，使得比較器在接近地電位或負電位時仍能正常工作，避免了輸入信號需保持在正電源軌與負電源軌之間的局限。

• 低靜態功耗
  每個通道的靜態電流一般在0.2mA左右，使得在電池供電等低功耗場合下，系統整體功耗得到有效控制。

• 推挽式輸出（開漏結構）
  開漏輸出結構需外部上拉電阻，可與多種電壓電平兼容，靈活性高；當比較結果低于閾值時，輸出導通下拉；當高于閾值時，上拉電阻將輸出拉至高電平。

• 高開關速率
  LM293在典型應用中響應時間可達200ns左右，使其能夠在快速變化的模擬信號環境中完成及時比較，并保證輸出結果的時效性。

• 寬溫度工作范圍
  LM293可在–40℃至+85℃甚至–55℃至+125℃的工作溫度范圍內正常運行，滿足工業級和汽車級應用對溫度的嚴苛要求。

• 輸出級具有過載保護
  輸出級內部設計有限制輸出短路電流的保護電路，即使輸出端短路至地或其他電壓，芯片也不會因過大電流而損壞。

• 封裝多樣性
  常見封裝形式包括8腳DIP、8腳SOIC、8腳TSSOP等，便于在不同PCB布局環境下選用合適尺寸的封裝。

內部結構與工作原理
LM293內部基本電路包括：輸入差分對、負載電流鏡、偏置電路、推挽式輸出級以及基準電壓電路等。其工作原理可概括如下：輸入端引入兩個待比較的模擬電壓VA+（非反相輸入）和VA–（反相輸入）。當VA+高于VA–時，輸入差分對中的一個晶體管導通，差分電流經電流鏡直接驅動推挽輸出級的柵極，使輸出管截止，輸出呈高阻狀態；若外部上拉電阻存在，則輸出將被上拉至高電平；當VA+低于VA–時，差分電流方向相反，驅動推挽輸出級另一個晶體管導通，將輸出端強制拉低，輸出為低電平。由于比較器內部無滯后回路（除非外部人為添加回饋），使得輸出狀態隨輸入信號的微小變化產生較大波動，因此在實際設計中經常會通過引入正反饋（加一點滯后）來抑制抖動。內部偏置電路則提供穩定的電流源，以保證輸入級與輸出級具有恒定的工作點，從而在寬溫度范圍與電源波動條件下依然保持較為穩定的閾值精度。電流鏡負載技術使得輸入級的輸入失調電壓降低，增強了比較器的精度。

引腳功能與封裝形式
LM293通常采用8腳雙列直插（DIP-8）及8腳小外形集成電路（SOIC-8）封裝。其引腳功能如下：
1、引腳1（1OUT）：第一個比較器的輸出端（開漏結構）。
2、引腳2（1IN–）：第一個比較器的反相負輸入端。
3、引腳3（1IN+）：第一個比較器的同相正輸入端。
4、引腳4（V– / GND）：負電源或地。
5、引腳5（2IN+）：第二個比較器的同相正輸入端。
6、引腳6（2IN–）：第二個比較器的反相負輸入端。
7、引腳7（2OUT）：第二個比較器的輸出端（開漏結構）。
8、引腳8（V+）：正電源輸入端，可提供最大至36V的電源電壓。

在PCB布局時，應確保電源引腳旁配合去耦電容（如0.1μF陶瓷電容與10μF電解電容并聯），以抑制電源噪聲對比較器工作的影響。此外，若對輸出響應時間及抗干擾能力有更高要求，可在輸出與輸入之間加濾波電容或RC網絡，以優化性能。封裝方面，DIP-8適合用于面包板或手工焊接實驗；SOIC-8則更適合高密度PCB設計，可節省空間并提高散熱性能。TSSOP-8進一步減少了占板面積，但在生產過程中對熱風回流焊工藝要求較高。

電氣特性
LM293的主要電氣性能指標對其在精準比較應用場合具有決定性意義，以下為典型參數：

• 輸入偏置電流（Input Bias Current）：典型值約25nA，在–40℃至+125℃溫度范圍內可能會有所漂移。偏置電流過大會影響對高阻源信號的比較精度，因此對于高阻抗應用需慎重考慮。

• 輸入失調電壓（Input Offset Voltage）：典型值為2mV，最大可達5mV。失調電壓決定了兩路輸入電壓在零電位漂移情況下的比較誤差，較低的失調電壓意味著更高的比較精度。

• 共模輸入電壓范圍（Input Common-Mode Voltage Range）：可覆蓋從V–（地）至V+ –1.5V。例如在單電源5V供電時，輸入可在0V至3.5V范圍內正常比較。

• 輸出電壓飽和壓降（Output Saturation Voltage, VOL）：當輸出導通拉低時，典型電壓約為0.2V（在輸出電流為1mA時）；當輸出高時，需要外部上拉電阻將輸出拉至上拉電壓。

• 傳播延遲時間（Propagation Delay）：在差分輸入信號電壓跳變時，輸出從拉低至釋放的典型傳播延遲約為200ns；從釋放至拉低的反向延遲也在同一量級。

• 供電電流（Supply Current）：每個通道典型值約200μA（在VCC=5V時），整個芯片雙通道總電流約400μA。低電流使得其在電池供電設備中更具優勢。

• 輸出電流能力（Output Current）：輸出端短路電流一般限制在10mA以內，以保護芯片不被損壞。

• 工作溫度范圍（Operating Temperature Range）：通常為–40℃至+85℃工業級；在汽車級產品中可達到–55℃至+125℃。

上述指標在設計電路時需要與具體應用需求結合考慮。例如在高溫環境下使用時，需要關注輸入失調電壓的溫漂特性；在高頻比較場合則需關注傳播延遲和輸入電容對速度的影響；在低功耗設計中，應兼顧靜態電流與響應速率之間的權衡。

典型應用電路
在實際工程項目中，LM293可以作為基礎部件應用于各種電壓檢測、門限報警、振蕩器、脈寬調制信號處理等電路。以下為若干典型應用：

• 電池電壓監測電路
  在電源管理系統中，可將電池的電壓一端接至LM293的同相輸入，將設定閾值（例如電池欠壓臨界值）的一定比例電壓（由分壓電阻提供）接至反相輸入。當電池電壓低于設定值時，比較器輸出拉低，通過LED指示或觸發微控制器產生報警或切斷電源。該電路結構簡潔，并能在電池電壓接近閾值時快速響應。

• 窗口比較器（Window Comparator）
  通過將輸入信號同時接入兩個比較器通道，一路比較高閾值，一路比較低閾值，可構成窗口比較功能。當輸入信號處于預定義范圍內時，兩個輸出保持特定狀態；當超出范圍時，輸出狀態發生切換。該設計常用于溫度監測、液位檢測等需要將信號限制在一定區間的場合。

• 方波振蕩器
  結合RC正反饋回路，LM293也可發揮振蕩功能。在輸入端接入適當的RC網絡，將輸出反饋至輸入，并在閾值附近產生滯后，通過輸出開漏與上拉電阻形成自激振蕩，可構建簡易的方波發生器，適用于時鐘源、頻率合成等場合。不過由于缺乏專門的遲滯控制，當環境噪聲較大或RC元件誤差較多時，振蕩頻率可能不穩定，需要在設計時額外加入濾波或穩定網絡。

• LED驅動與閃爍電路
  利用比較器輸出驅動場效應管或晶體管，實現LED在超過某一輸入電壓或電流時自動關閉或閃爍報警。例如，太陽能系統中可檢測光伏電池板電壓，當電壓超過安全范圍時，觸發比較器關閉繼電器或驅動LED閃爍提示，以保證設備正常運行。

• 超聲波傳感器信號處理
  在超聲波測距電路中，放大后的回波信號常常具有噪聲，使用LM293將回波信號與設定閾值進行比較，能夠將有效回波脈沖提取出來，輸出數字信號進入微控制器計時，實現距離測算。該方案可有效提高測距精度及抗干擾能力。

設計應用注意事項
在使用LM293進行實際設計時，需注意以下幾點，以確保電路性能最佳化：

• 去耦與電源濾波
  在LM293的V+和V–引腳應緊鄰電源去耦電容（如0.1μF陶瓷電容和10μF電解電容并聯），以濾除高頻與低頻噪聲，避免電源波動對比較器閾值精度及輸出抖動的影響。

• 輸入級保護
  為避免輸入端接入過高電壓或靜電損傷，可在輸入端串聯小電阻（如10Ω至100Ω），并在必要時并聯肖特基二極管或TVS二極管，以防止瞬態高壓沖擊。

• 合理選擇上拉電阻
  LM293輸出為開漏結構，需要外部上拉電阻將輸出拉至高電平。上拉電阻阻值大小選取要權衡輸出拉升速度與功耗：阻值過大會導致輸出上升時間長，響應速度變慢；阻值過小會導致靜態電流增大，功耗升高，并對芯片輸出能力提出更高要求。通常在10kΩ至47kΩ之間選取即可滿足大部分應用。

• 抖動與遲滯處理
  對于輸入噪聲較大、變化緩慢的模擬信號，如果直接進行比較可能會導致輸出抖動?？赏ㄟ^在兩輸入端之間增加正反饋網絡（在反相輸入和輸出之間串聯一個電阻），形成輕微遲滯，以在達到閾值附近時避免頻繁跳變，保證輸出穩定。遲滯量可通過反饋電阻與輸入電阻比值進行調整。

• 布線注意事項
  輸入信號線應盡量短且靠近，避免引線過長導致感應干擾。尤其在高速比較應用中，要避免輸入信號線與數字高頻線并行走線，減少串擾。同時，為防止溫差引起的偏置電壓漂移，盡量將兩路比較器放置在同一區域，并使輸入源與芯片溫度保持一致。

• 溫度漂移補償
  LM293在高溫環境下輸入失調電壓可能會增加，導致閾值偏離。若需要在寬溫度范圍內保持精度，可通過電路校準，或者增加硬件補償電路（如負溫度系數電阻）來抵消溫漂影響。若條件允許，也可通過軟件校準的方式，在測量前后進行零點和量程切換校正。

• 防止輸出與電源短路
  因開漏輸出可能短接至比V+更高的電壓時，若沒有適當的限制電阻會對芯片造成損壞。設計時應保證輸出端上拉電源不超過芯片最大額定值，并在輸出至高電平時保持一定的安全裕量。

LM293與其他比較器的比較
在實際工程中，市場上有多款雙通道比較器可供選擇，如LM393、LM339、TLV2372、TLV7012等。與這些產品相比，LM293的優勢與不足主要體現在以下方面：

• 與LM393比較
  LM293與LM393同屬于National Semiconductor過去推出的雙路低功耗比較器系列，但LM293在部分參數上進行改進。例如：LM293在高溫條件下的輸入失調電壓漂移更??；在某些型號中，共模輸入電壓可近于V+，使其在滿量程應用中更具靈活性；同時在內部輸出結構中添加了更完善的短路保護電路。兩者整體性能相差不大，但在嚴苛工業環境中，工程師往往會優先考慮LM293以獲得更穩定的長期性能。

• 與LM339比較
  LM339為四通道開漏比較器，廣泛應用于多路比較場合。與LM293的雙通道相比，LM339在通道數上具有優勢，但其典型響應速度較慢，靜態功耗更高，且輸入失調電壓指標不如LM293出色。因此，當系統中只需要兩路比較時，LM293往往更具成本效益與性能優勢；而在需要四路或以上同時進行比較時，LM339更為合適。

• 與TLV2372比較
  TLV2372為TI公司推出的雙通道低壓、低噪聲、高速比較器，工作電壓范圍為2.7V至5.5V。它在低壓應用場景中具有更快的上升沿與更低的失調電壓，但其在高溫環境下的性能未必如LM293穩定。如果設計需在5V以下甚至3.3V電源環境中工作，且強調整體響應速度，則TLV2372更具優勢；但若需在12V或更高電壓環境下工作，則LM293更加適合。

• 與TLV7012比較
  TLV7012是一款更為新型的超低功耗比較器，靜態電流低至1μA，特別適合電池供電的物聯網終端。但其輸出結構為CMOS推挽，輸入共模范圍無法下探至V–，且響應速度相對LM293略慢。因此，在極低功耗、慢速比較場合，TLV7012表現優異；在工業級、高速度應用時，LM293仍為首選方案。

常見應用場景
LM293憑借其良好的性能組合，適用于以下典型場景：

• 電源管理與電池保護
  在移動設備、電池組管理中，通過檢測單體電壓或電池組總電壓，一旦低于設定閾值、過放風險增大時，即可觸發斷電保護電路或蜂鳴報警器，保障電池安全。LM293低功耗特性使得其長期監測不至于快速消耗電池。

• 工業自動化與保護
  在PLC、變頻器、伺服驅動等工業控制系統中，需要對電壓、電流、溫度等進行門限判斷與保護；例如當溫度過高、壓力過低或液位超出安全范圍時，比較器輸出可驅動繼電器或繼電保護模塊，實現自動斷電或報警。LM293能夠在–40℃至+85℃的工業環境中長期穩定工作。

• 汽車電子
  汽車中常需檢測蓄電池電壓、各類傳感器信號等。LM293汽車級型號（如標稱溫度范圍–55℃至+125℃）可承受高溫、振動及電磁干擾等惡劣環境，應用于車身電子控制單元（BCU）、發動機控制單元（ECU）等場合。

• 通信基站與電信設備
  在基站的設備監控、故障檢測及電源冗余切換電路中，通過比較器快速判斷冗余電源狀態、供電異常等情況，保障通信基站不間斷運行。

• 消費類電子
  在家電、智能音箱、可穿戴設備等消費類產品中，LM293可用于電池欠壓指示、語音觸發閾值檢測、觸摸傳感器信號數字化等，成本低廉且易于與MCU集成。

• 醫療設備
  在便攜式血糖儀、心電監護儀等醫療儀器中，對傳感器信號進行閾值比較時，需要極高的可靠性和穩定性。LM293在通過設計精度與溫漂補償后，可以滿足醫療級儀器的精密檢測需求。

使用技巧與常見故障排除
在實際設計與調試過程中，LM293可能會遇到以下一些常見問題，以下為排查與優化思路：

• 輸出始終處于高阻或低電平
  可能原因：未正確連接上拉電阻或上拉電阻阻值過大、接地不良或電源極性接反。解決方法：檢查上拉電阻連接是否牢固、阻值是否合適（建議10kΩ左右）；確認芯片電源極性無誤，并檢查地線可靠性。

• 輸出抖動嚴重
  可能原因：輸入噪聲較大、信號源阻抗過高或缺少遲滯電路。解決方法：在輸入端不超過±0.1pF的并聯電容或在反相輸入與輸出之間加入適當正反饋電阻（例如100kΩ～1MΩ之間），以產生輕微的遲滯，從而過濾掉噪聲引起的微小抖動。

• 比較器不觸發或觸發閾值偏離預期
  可能原因：輸入失調電壓、分壓精度誤差或電路熱漂移造成閾值偏差。解決方法：對分壓電阻使用1%精度或更高精度電阻，減少誤差；在溫度敏感場合，可以在軟件中進行標定校正；如果應用環境溫度范圍較寬，可選用溫漂更低的型號或加入硬件溫度補償電路。

• 響應速度偏慢
  可能原因：上拉電阻阻值過大使上升沿緩慢、輸入級帶寬受限或外部濾波電容過大。解決方法：適當減小上拉電阻阻值（如降低至4.7kΩ），保證上拉電流足夠；降低輸入帶寬限制，減少過度濾波；如無必要盡量保持輸入電容較小以提高帶寬。

• 輸出短路損壞芯片
  可能原因：輸出端短路至高電壓，超過芯片設計極限；缺乏限流電阻或負載過大。解決方法：檢查輸出端上拉電壓不超過芯片最大額定值（如不能超過36V）；在輸出與負載之間增加限流電阻；避免輸出短路持續時間過長。

采購與選型指南
在選用LM293或其替代型號時，需要參考以下因素：
1、工作電壓范圍
如果設計電源電壓在5V或12V以內，可直接選用LM293標準型號；如果電源電壓高于12V，務必確認芯片能夠承受更高的電源電壓，或選用耐壓更高的改進版本。
2、溫度等級
根據應用場合的溫度范圍選擇相應的工作溫度等級。對于工業級應用，需選擇–40℃至+85℃的型號；對于汽車級應用，則需選用–55℃至+125℃的高溫型號，以保證在極端環境下仍能穩定工作。
3、輸出結構
開漏輸出適合與不同電平的系統接口，當需要直接輸出推挽信號時，可考慮采用具有推挽輸出結構的比較器。若僅需連接到具有內部上拉電阻的數字電路，則開漏模式即可滿足要求。
4、速度與功耗平衡
如果需要非?？焖俚谋容^響應，可優先考慮響應時間更短的型號；如果側重超低功耗，可在滿足基本速度需求的前提下選擇靜態電流更小的器件。LM293在速率與功耗之間提供了較為均衡的性能，但如果對速度或功耗有更極端需求，可參考TLV系列、MAX系列等專用型號。
5、封裝形式
在空間有限的PCB設計中，可選用SOIC-8或TSSOP-8封裝；若手工焊接或原型平臺實驗時，DIP-8則更易于操作。同時需要關注封裝的熱阻、引腳間距等參數，以免在高功率或密集布線區域出現散熱瓶頸。
6、品牌與供應鏈
建議在正規渠道（如德州儀器、Analog Devices、On Semiconductor）選購原廠或授權代理商提供的正品，避免購買到質量難以保證的山寨芯片。大批量采購時，可與供應商提前溝通交期及價格，確保項目進度不受影響。

未來發展與替代方案
隨著半導體工藝與低功耗技術的不斷發展，市場上涌現出越來越多針對于不同應用場景優化的比較器。未來的趨勢主要體現在：

• 更低功耗、更高速度
  新一代的比較器會通過改進內部偏置電路、采用更先進的制程工藝，將靜態電流進一步降至微安級，同時保持或提升其傳播延遲速度，為物聯網、可穿戴設備等領域提供更優的解決方案。

• 集成化與多功能化
  未來行業將趨向于將比較器與ADC、放大器、參考電壓源等功能集成在同一芯片上，實現更高集成度的系統級芯片（SoC），降低PCB元件數量與設計復雜度。

• 智能化與可編程
  部分高端電路設計會將比較器閾值、遲滯電壓等參數通過數字信號可編程，以滿足多場景參數調整需求，實現對閾值精度與抗干擾性能的更精細控制。

• 替代方案
  若需要更高精度或更穩定的溫漂性能，可考慮使用集成了校準電路或自校準功能的比較器；若需要在更寬電壓范圍內工作，或需具備電壓檢測與電源管理功能，則可考慮專用電源管理IC（如帶電壓檢測與比較功能的PMIC）。此外，對于部分高精度工業與醫療場合，可能會選擇采用完全不同架構的模擬前端芯片，例如包含放大、濾波、比較功能于一體的多功能模塊。

總結
LM293憑借其雙通道獨立比較、寬電源工作范圍、低靜態功耗以及開漏輸出等優秀特性，被廣泛應用于電源管理、工業自動化、汽車電子、通信設備和消費類電子等領域。在實際設計中，通過合理布局去耦電容、優化上拉電阻選型、引入遲滯電路以及對溫漂進行校準，可以進一步提升系統的穩定性、響應速度和抗干擾能力。與市場上其他同類產品相比，LM293在工業級可靠性、溫度適應范圍以及整體性能價格比方面具備明顯優勢。隨著半導體工藝的進步和應用場景的不斷擴展，LM293及其改進型號將繼續在電子設計領域扮演不可或缺的角色，為工程師提供易于使用且功能強大的比較解決方案。