LM193比較器原理詳解

　　LM193是一款廣泛應用的雙電壓比較器，屬于LM139/LM239/LM339系列中的一員，其特點是具有低功耗、寬電源電壓范圍以及與TTL、CMOS兼容的輸出。它在各種工業、汽車和消費電子應用中扮演著關鍵角色，用于信號檢測、電平轉換、振蕩器和窗口比較器等功能。理解LM193的工作原理，對于設計和故障排除基于它的電路至關重要。

　　1. LM193概述與主要特性

　　LM193，作為一款精密差分比較器，其核心功能是將兩個輸入電壓進行比較，并根據比較結果輸出數字信號。與運算放大器不同，比較器主要設計用于開環操作，其輸出狀態通常只有兩種：高電平或低電平。這種非線性特性使其非常適合于閾值檢測和波形整形。LM193的典型工作電源電壓范圍寬，可以從單一電源供電（最低2V），也可以從雙電源供電。其低輸入偏置電流和低輸入失調電壓確保了比較的準確性。此外，它的開漏（Open-Drain）輸出結構為其應用提供了極大的靈活性，可以直接與各種數字邏輯門接口，或者通過上拉電阻形成特定的輸出電平。

　　LM193的主要特性包括：

　　低電源電流消耗： 尤其適用于電池供電或功耗敏感的應用。

　　寬電源電壓范圍： 兼容多種電源環境，從2V單電源到36V單電源，或$pm 1V到pm 18V$雙電源。

　　低輸入偏置電流： 減少了對輸入信號源的負載效應，提高了比較精度。

　　低輸入失調電壓： 最小化了比較閾值的誤差。

　　差分輸入電壓范圍寬： 允許輸入電壓超過電源電壓，提供了更大的設計靈活性。

　　開漏輸出： 允許輸出邏輯電平的靈活設定，便于與不同電壓的數字邏輯電路接口。

　　兼容性強： 輸出直接兼容TTL、CMOS邏輯。

　　內置ESD保護： 提高了器件的可靠性和魯棒性。

　　2. 內部結構與工作原理

　　理解LM193的內部結構是掌握其工作原理的關鍵。盡管其內部電路復雜，但可以將其簡化為幾個核心模塊：輸入級、增益級和輸出級。

　　2.1 輸入級：差分對

　　LM193的輸入級是一個經典的差分對（Differential Pair），通常由一對匹配的PNP或NPN晶體管組成。LM193通常采用PNP晶體管作為輸入對，這意味著其輸入共模電壓范圍可以延伸到負電源軌（對于單電源應用，通常是地）。

　　功能： 差分對負責接收兩個輸入信號：同相輸入（+IN）和反相輸入（-IN）。它的核心任務是將這兩個輸入電壓的微小差異轉化為電流變化。

　　工作機制： 當同相輸入電壓高于反相輸入電壓時，同相輸入側的晶體管將導通更強，導致其集電極電流增加，而反相輸入側的晶體管導通減弱，集電極電流減少。反之亦然。這種電流的差值是后續增益級的基礎。

　　特點： 差分對具有高輸入阻抗和良好的共模抑制比（CMRR），這意味著它對兩個輸入端上共有的電壓變化不敏感，只對它們之間的差異做出響應。低輸入偏置電流和低輸入失調電壓也主要由輸入級的設計和制造精度決定。輸入偏置電流是流向或流出輸入端的微小電流，理想情況下為零。輸入失調電壓是使輸出為零（或在比較器中為不確定狀態）所需的兩個輸入端之間的電壓差，理想情況下也為零。

　　2.2 增益級

　　輸入級產生的差分電流或電壓信號非常微弱，不足以直接驅動輸出。因此，需要一個或多個增益級對信號進行放大。

　　功能： 增益級將輸入級的微小信號放大到足以使輸出級迅速切換的狀態。比較器的高增益特性是其能夠實現快速、明確切換的基礎。

　　工作機制： 增益級通常由多級共射極或共集電極放大器組成，它們級聯在一起，以提供非常高的電壓增益。這種高增益意味著即使輸入端存在微小的電壓差，也能在輸出端產生全擺幅的輸出。

　　遲滯（Hysteresis）： 雖然LM193本身不內置遲滯功能，但理解增益級與遲滯的關系很重要。高增益使得比較器在閾值附近非常敏感，容易產生振蕩。外部添加正反饋可以引入遲滯，從而提高抗噪聲能力和防止輸出振蕩，尤其是在輸入信號緩慢變化或存在噪聲的情況下。遲滯定義了輸出狀態切換時的兩個不同閾值：上升閾值和下降閾值。

　　2.3 輸出級：開漏集電極

　　LM193的輸出級是其最獨特的特性之一：開漏（Open-Drain）集電極輸出。

　　結構： 輸出級通常由一個NPN晶體管的集電極連接到輸出引腳，發射極接地。這個晶體管的基極由增益級驅動。重要的是，這個集電極是“開路”的，即它沒有內部連接到正電源軌。

　　工作機制：

　　當$V_{IN+} > V_{IN-}$時： 增益級檢測到同相輸入較高，將驅動輸出晶體管飽和導通。此時，輸出晶體管的集電極將拉低到接近地電位（大約0.2V，取決于負載電流和溫度），形成低電平輸出。

　　當$V_{IN+} < V_{IN-}$時： 增益級檢測到反相輸入較高，將使輸出晶體管截止。此時，輸出晶體管的集電極處于高阻態，相當于斷開連接。為了獲得一個明確的高電平輸出，必須在輸出引腳和正電源軌（通常是邏輯電源或IO電源）之間連接一個外部上拉電阻。

　　優勢：

　　電平轉換： 開漏輸出允許用戶選擇不同的上拉電源電壓，從而實現與不同邏輯電平（如3.3V、5V、12V等）的接口。例如，LM193由5V供電，但其輸出可以通過12V的上拉電阻驅動12V的負載。

　　線與（Wired-AND）功能： 多個開漏輸出可以簡單地連接在一起，通過一個公共上拉電阻實現“線與”邏輯。只要其中任何一個比較器輸出低電平（即其輸出晶體管導通），整個線與輸出就會被拉低。只有當所有連接的比較器都輸出高阻態時，輸出才會被上拉電阻拉高。

　　電流灌入能力強： 開漏輸出晶體管在導通時可以**灌入（sink）**相對較大的電流（通常可達20mA），使其能夠直接驅動LED、繼電器或其他低功耗負載。

　　3. 工作模式與應用電路

　　LM193作為電壓比較器，其基本工作模式是比較兩個模擬電壓。通過不同的外部電路配置，可以實現多種功能。

　　3.1 基本比較器電路

　　最基本的LM193應用是將一個輸入電壓與一個固定的參考電壓進行比較。

　　無遲滯比較器：

　　非反相比較器： 參考電壓$V_{REF}連接到反相輸入（?IN），待比較信號V_{IN}連接到同相輸入（+IN）。當V_{IN} > V_{REF}時，輸出低電平；當V_{IN} < V_{REF}$時，輸出通過上拉電阻呈高電平。

　　反相比較器： 參考電壓$V_{REF}連接到同相輸入（+IN），待比較信號V_{IN}連接到反相輸入（?IN）。當V_{IN} > V_{REF}時，輸出通過上拉電阻呈高電平；當V_{IN} < V_{REF}$時，輸出低電平。

　　注意事項： 無遲滯比較器對噪聲非常敏感，在輸入信號緩慢變化經過閾值點時，輸出可能出現抖動或振蕩。

　　3.2 帶遲滯的比較器（施密特觸發器）

　　為了克服無遲滯比較器的噪聲敏感性，通常會引入正反饋來形成遲滯，從而將比較器轉換為施密特觸發器。遲滯會創建兩個不同的閾值電壓：一個用于上升沿觸發（VUTP，Upper Threshold Point），另一個用于下降沿觸發（VLTP，Lower Threshold Point）。

　　遲滯原理： 當輸出為低電平（0V）時，反饋回路將設置一個較低的比較閾值。當輸入信號上升并超過這個較低閾值時，輸出翻轉為高電平。一旦輸出變為高電平，反饋回路會設置一個較高的比較閾值。此時，輸入信號必須下降到低于這個較高的閾值，輸出才會再次翻轉為低電平。這種差異確保了在噪聲存在時輸出的穩定性。

　　遲滯電阻計算： 遲滯量由外部反饋電阻和輸入電阻決定。例如，在一個非反相施密特觸發器中，通過連接一個電阻從輸出到同相輸入端，以及一個電阻從同相輸入到參考電壓或地，可以實現遲滯。具體的閾值電壓計算涉及分壓器和輸出電壓（高電平$V_{OH}$和低電平$V_{OL}$）。

　　優點： 提高了抗噪聲能力，防止了閾值附近的輸出振蕩，使得輸出波形更加清晰穩定。

　　3.3 窗口比較器

　　窗口比較器用于檢測輸入電壓是否落在兩個預設的閾值之間（一個“窗口”）。它通常由兩個獨立的比較器（如LM193內部包含兩個比較器）和一個邏輯門（通常是AND門，因為LM193的開漏輸出可以直接線與）組成。

　　工作原理：

　　一個比較器配置為檢測輸入電壓是否高于下限閾值（VTL）。

　　另一個比較器配置為檢測輸入電壓是否低于上限閾值（VTU）。

　　這兩個比較器的開漏輸出連接在一起（實現線與）。只有當輸入電壓同時滿足這兩個條件時（即VTL<VIN<VTU），線與輸出才會呈高電平。否則，輸出為低電平。

　　應用： 電池電壓監測、電源電壓過高/過低報警、模擬信號限幅檢測等。

　　3.4 振蕩器

　　LM193也可以用于構建簡單的弛豫振蕩器，例如方波振蕩器。

　　工作原理： 通過將比較器與RC充放電網絡和正反饋結合，可以實現周期性的輸出切換。

　　電容器在充電和放電之間循環，其電壓在兩個比較閾值之間擺動。

　　當電容電壓達到上限閾值時，比較器輸出翻轉，導致電容開始向相反方向充放電。

　　當電容電壓達到下限閾值時，比較器輸出再次翻轉，完成一個周期。

　　頻率： 振蕩頻率由RC網絡的時間常數和遲滯電壓決定。

　　應用： 簡單的時鐘源、脈沖發生器、LED閃爍器等。

　　3.5 電平轉換

　　由于其開漏輸出特性，LM193非常適合進行電壓電平轉換。

　　原理： 輸入信號可能來自低電壓域（例如1.8V或3.3V），但需要驅動高電壓設備（例如5V或12V）。通過將LM193的電源電壓設置為較低的輸入域電壓（或者直接使用地和更高的負電壓），并將上拉電阻連接到目標輸出電壓（例如5V或12V），即可實現電平轉換。

　　示例： 將3.3V的MCU信號轉換為5V或更高電壓的信號以驅動繼電器或其他外部電路。

　　4. LM193應用注意事項

　　在實際應用中，為了確保LM193的穩定和可靠工作，需要考慮以下幾點：

　　4.1 電源去耦

　　在LM193的電源引腳（VCC）附近放置一個0.1$muF到1mu$F的陶瓷去耦電容至關重要。這個電容可以有效地濾除電源線上的高頻噪聲，防止其干擾比較器的正常工作，尤其是在輸出切換時產生的瞬態電流。建議電容盡可能靠近芯片的電源引腳放置。

　　4.2 輸入保護

　　盡管LM193具有一定的內置ESD保護，但在極端情況下，輸入電壓超過電源軌或低于地電位可能損壞器件。

　　在輸入端串聯限流電阻可以限制輸入電流，并可以在輸入端并聯肖特基二極管到電源軌，以鉗位輸入電壓，防止過壓或欠壓損壞。

　　對于高阻抗輸入，應注意噪聲拾取，可能需要額外的濾波或屏蔽。

　　4.3 上拉電阻的選擇

　　上拉電阻的選擇影響輸出電流和上升時間。

　　電阻值過小： 會導致通過上拉電阻的電流過大，增加功耗，并可能超過LM193輸出晶體管的最大灌入電流（sink current）能力，導致輸出電平無法拉低到理想狀態。

　　電阻值過大： 會導致輸出上升時間變慢，因為輸出電容（包括寄生電容和負載電容）的充電速度變慢。這會影響比較器在高速應用中的性能。

　　典型值： 對于大多數TTL或CMOS接口，通常使用1k$Omega到10kOmega$的上拉電阻。具體值需要根據負載類型、所需的上升時間以及允許的功耗進行權衡。

　　4.4 避免輸入反轉

　　對于單電源供電的比較器，如果輸入電壓低于地電位，可能會導致輸出反轉或不正常工作。LM193的輸入共模電壓范圍包括地，因此其輸入可以連接到地。然而，如果輸入信號可能瞬時低于地電位，則需要特別注意，可能需要鉗位二極管或負電源。

　　4.5 寄生振蕩

　　高增益比較器在某些情況下容易發生寄生振蕩，尤其是在PCB布局不當（例如，輸入和輸出走線過于接近，導致反饋）或輸入信號噪聲較大時。

　　預防措施：

　　良好地布線： 保持輸入和輸出走線分開，盡量縮短走線長度。

　　去耦電容： 確保電源去耦良好。

　　遲滯： 在必要時引入遲滯，這是最有效的防止振蕩的方法之一。

　　輸入濾波： 在輸入端添加小電容（幾pF到幾十pF）可以濾除高頻噪聲，但也可能影響比較器的響應速度。

　　4.6 差分輸入電壓限制

　　盡管LM193可以處理輸入電壓超過電源軌，但輸入引腳之間的最大差分電壓是有限制的（通常與電源電壓相等或略大）。超過此限制可能損壞器件。

　　5. 結論

　　LM193是一款功能強大、應用廣泛的電壓比較器，憑借其低功耗、寬電源電壓范圍和靈活的開漏輸出，在各種電路設計中占據一席之地。理解其基于差分對、高增益級和開漏集電極的內部工作原理，對于正確配置和應用LM193至關重要。無論是簡單的閾值檢測、復雜的窗口比較、振蕩器設計還是電平轉換，LM193都能提供可靠的解決方案。通過遵循正確的電源去耦、輸入保護和上拉電阻選擇等設計準則，可以充分發揮LM193的性能，確保電路的穩定性和可靠性。它的多功能性和易用性使其成為工程師工具箱中不可或缺的組件之一。