LM393系列比较器：特性、应用及使用指南
LM393系列比较器：特性、应用及使用指南
LM393系列比较器是电子工程领域中非常经典且常用的双比较器，广泛应用于各种电路设计中。本文将详细介绍LM393、LM393B、LM2903B、LM193、LM293和LM2903等型号的特性、应用及使用注意事项。
前言
LM393是一款经典的双比较器，采用SOP8封装，其外观和丝印如图所示。虽然LM393已经问世几十年，但其在电子工程领域的应用仍然非常广泛。然而，在电池供电的应用中，LM393的静态电流相对较高，因此建议选择LM393B或其他耗电更少的比较器。
集电极开路输出比较器
LM393系列比较器采用集电极开路输出方式，这意味着它们无法直接输出高电平信号。因此，在使用时必须在输出端连接一个上拉电阻，以确保输出信号的完整性。
比较器应用仿真
比较器的工作原理非常简单：当正相输入（IN+）电压大于反相输入（IN-）电压时，输出为高电平；反之则输出为低电平。为了直观展示比较器的工作过程，我们可以在IN+和IN-端分别输入不同的电压信号。
LM393系列比较器规格对比
下表列出了LM393系列比较器的主要规格参数，包括电源电压范围、总电源电流、工作温度范围、ESD保护等级、失调电压、输入偏置电流和响应时间等关键指标。
规格 | LM393B | LM2903B | LM393/LM393A | LM2903 | LM2903V/LM2903AV | LM193 | LM293/LM293A | 单位 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
电源电压 | 2 至 36 | 2 至 36 | 2 至 30 | 2 至 30 | 2 至 32 | 2 至 30 | 2 至 30 | V |
总电源电流（5V 至 36V 最大值） | 0.6 至 0.8 | 0.6 至 0.8 | 1 至 2.5 | 1 至 2.5 | 1 至 2.5 | 1 至 2.5 | 1 至 2.5 | mA |
温度范围 | -40 至 85 | −40 至 125 | 0 至 70 | −40 至 125 | −40 至 125 | -55 至 125 | -25 至 85 | °C |
ESD (HBM) | 2000 | 2000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | V |
失调电压（整个温度范围内的最大值） | ±4 | ±4 | ±9/±4 | ±15 | ± 15/ ± 4 | ±9 | ±9/ ±4 | mV |
输入偏置电流（典型值/最大值） | 3.5/25 | 3.5/25 | 25/250 | 25/250 | 25/250 | 25/100 | 25/250 | nA |
响应时间（典型值） | 1 | 1 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 微秒 |
特性
新一代的LM393B和LM2903B比较器在多个方面进行了优化，包括：
- 最大额定值提升至38V
- ESD保护等级提高至2kV
- 失调电压降低至0.37mV
- 输入偏置电流降低至3.5nA
- 电源电流降低至每个比较器200μA
- 响应时间缩短至1微秒
- 工作温度范围扩展
- 采用2x2mm微型WSON封装
这些改进使得B版本可以直接替代原有的LM293、LM393和LM2903的A和V版本。
应用领域
LM393系列比较器广泛应用于多个领域，包括：
- 扫地机器人
- 单相UPS
- 服务器电源供应
- 无绳电动工具
- 无线基础设施
- 家用电器
- 楼宇自动化
- 工厂自动化与控制
- 电机驱动器
- 信息娱乐系统与仪表组
引脚配置和功能
LM393采用SOP8封装，其引脚定义如下：
名称 | SOIC、VSSOP、PDIP、SO、DDF 和TSSOP | DSG | IO | 说明 |
|---|---|---|---|---|
OUT 1 | 1 | 1 | 输出 | 比较器1的输出引脚 |
IN- 1 | 2 | 2 | 输入 | 比较器1的负输入引脚 |
IN+ 1 | 3 | 3 | 输入 | 比较器1的正输入引脚 |
GND | 4 | 4 | — | 接地 |
IN+ 2 | 5 | 5 | 输入 | 比较器2的正输入引脚 |
IN- 2 | 6 | 6 | 输入 | 比较器2的负输入引脚 |
OUT 2 | 7 | 7 | 输出 | 比较器2的输出引脚 |
VCC | 8 | 8 | — | 正电源 |
散热焊盘 | — | PAD | — | 直接连接到GND引脚 |
详细说明
概述
这些双路比较器能够在电源电压高达36V（对于B版本为38V）的条件下运行。它们具有宽电源电压范围、低静态电流和快速响应时间等特点，适用于各种应用场合。
特性说明
该比较器由一个PNP达林顿对输入组成，这使得器件能够在非常高的增益和快速响应的同时保持很小的输入偏置电流。输入达林顿对限制了输入共模电压能力，允许比较器在接地至VCC-1.5V的输入下准确运行。在低温下允许VCC-2V。
输出由一个漏极开路NPN（下拉或低侧）晶体管组成。当负输入电压高于正输入电压和失调电压时，输出NPN灌入电流。VOL是电阻性的，并且与输出电流成比例。
器件功能模式
该器件仅用作电压比较器，比较正负引脚之间的差分电压，并根据输入差分极性输出逻辑低阻抗或高阻抗（带上拉的逻辑高电平）。
应用和实施建议
电源相关建议
对于具有噪声或交流输入的快速响应和比较应用，建议在电源引脚上使用一个旁路电容器来抑制电源电压的任何变化。这种变化会侵蚀比较器的输入共模范围，并产生不准确的比较结果。
输入电压范围
选择输入电压范围时，必须将输入共模电压范围(VICR)考虑在内。如果温度范围低于25°C，则VICR范围为0V至VCC-2.0V。这会将输入电压范围限制为最高VCC-2.0V、最低0V。超过此范围运行会导致对比不准确。
以下是输入电压情况及其输出的列表：
- 当IN-和IN+都处于共模范围内时：
- 如果IN-高于IN+和失调电压，则输出为低电平，而且输出晶体管会灌入电流
- 如果IN-低于IN+和失调电压，则输出为高阻抗，输出晶体管不导通
- 当IN-高于共模且IN+处于共模范围内时，输出为低电平，输出晶体管灌入电流
- 当IN+高于共模且IN-处于共模范围内时，输出为高阻抗，输出晶体管不导通
布局建议
对于没有迟滞的精确比较器应用，务必保持电源稳定，并将噪声和干扰降至最低。为此，最好在电源电压和接地之间添加一个旁路电容器。这应该在正电源和负电源（如果可用）上实现。如果不使用负电源，请勿在IC的GND引脚和系统接地之间放置电容器。
尽量减少输出和反相输入之间的耦合，以防止输出振荡。除非输出和反相输入引线之间存在VCC或GND引线，否则请勿并行布置输出和反相输入引线，以减少耦合。向输入端添加串联电阻时，将电阻器放在靠近器件的位置。