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LM393常用电路与原理

LM393是一种常见的双路比较器芯片，广泛应用于电路设计中，特别是在信号处理、阈值检测、自动控制系统等领域。本文将详细介绍LM393的常用电路与原理，包括它的工作原理、应用电路以及设计考虑。

1. LM393比较器概述

LM393是一个双路比较器IC，具有两个独立的比较器，它们的工作原理是根据输入信号的大小来驱动输出端的状态。比较器的输出状态只有两种：高电平（逻辑1）和低电平（逻辑0）。LM393使用开集电极输出，因此需要外部拉高电阻来产生输出信号。

LM393的主要特点包括：

它有两个输入端，分别为非反向输入（+）和反向输入（−）。
比较器的输出状态是基于输入信号之间的比较结果。
输出是开集电极输出，通常需要通过外部电阻接入电源。

LM393的输入端是差分的，即它根据两个输入电压的差来控制输出。具体来说，当非反向输入电压高于反向输入电压时，输出为低电平；当非反向输入电压低于反向输入电压时，输出为高电平。

2. LM393工作原理

在比较器中，输入信号（通常为模拟信号）会与参考电压进行比较。LM393比较器通过比较输入端的电压，决定输出端的状态。如果非反向输入端的电压高于反向输入端，输出将会是低电平；反之，则输出高电平。

由于LM393是开集电极输出，它不能直接提供高电平，因此需要通过一个外部电阻将输出端连接到电源。这样，输出端会根据输入电压的比较结果，在低电平（0V）和通过拉高电阻到电源的高电平之间切换。

这种工作原理使得LM393非常适合用作电压比较、窗口比较、过压/欠压检测等应用。

3. LM393常用电路

3.1 比较器电路

最常见的LM393电路是基本的比较器电路。该电路通过输入电压与参考电压之间的比较，来控制输出信号。

电路原理：将一个输入信号与参考电压进行比较。如果输入信号高于参考电压，输出将为低电平（0V），否则输出为高电平。下面是一个简单的比较器电路：

电路图：

在这个电路中，LM393的非反向输入接入输入信号Vin，反向输入接入参考电压。输出端通过外部电阻R连接到电源Vcc，输出端的信号将会根据输入信号的变化而变化。具体地，当Vin高于参考电压时，输出为低电平，反之则为高电平。

3.2 零交叉检测电路

零交叉检测电路用于检测交流信号何时经过零点，通常用于交流电流的测量、整流电路或过电流保护等应用。

电路原理：零交叉检测电路利用LM393的比较功能来检测交流信号的过零点。当输入信号由正变负时，比较器的输出会发生跳变，从而触发后续的控制电路。

电路图：

在这个电路中，AC信号接入LM393的非反向输入，参考电压接入反向输入。当交流信号经过零点时，非反向输入的电压会与反向输入的参考电压发生比较，输出信号会产生跳变。这个跳变信号可以用于驱动整流电路或作为控制信号。

3.3 窗口比较器电路

窗口比较器电路是将两个阈值电压设置为上下界限，只有当输入电压在这个范围内时，输出才会为低电平。

电路原理：窗口比较器电路由两个LM393比较器组成。一个比较器用来设置上限阈值，另一个比较器用来设置下限阈值。当输入电压位于两个阈值之间时，输出为低电平；当输入电压超出这个范围时，输出为高电平。

电路图：

在这个电路中，输入信号通过R1连接到两个比较器的输入端，其中一个设置为上限阈值，另一个设置为下限阈值。只有当输入信号位于两个阈值之间时，输出才为低电平，超出范围时，输出为高电平。

3.4 过压/欠压检测电路

过压或欠压检测电路用于监测电源电压是否超出规定范围，通常用于电池电压监测、功率管理和安全保护电路。

电路原理：将参考电压设置为阈值电压，输入电压与参考电压比较。当输入电压超过或低于参考电压时，比较器的输出会发生变化，从而触发报警或断电等措施。

电路图：

在这个电路中，Vin是待检测的输入电压，Vout是输出信号，当Vin超出设定的阈值时，输出电平将发生变化，通常用于驱动继电器或者触发报警。

3.5 延时电路

通过在LM393比较器输出端增加RC电路，可以实现延时功能。在输入信号发生变化后，延时电路可以在一定时间后再输出结果，这对于某些控制应用（如去抖动、电源管理等）非常有用。

电路原理：将LM393的输出连接到RC网络，通过调节电容和电阻的值，可以控制延时的时间。延时电路会在输入信号变化后，经过一段时间才产生反应。

电路图：

在这个电路中，输入信号通过电阻R1接入比较器，输出信号则通过RC网络输出。根据电容C1和电阻R1的值，可以设置延时时间，通常用于去抖动或控制信号的平滑输出。

4. LM393应用实例

4.1 电池电量监测

LM393可以用于电池电量监测电路。当电池电压低于设定阈值时，比较器输出低电平，可以触发报警或启动保护电路。通过调整参考电压，可以设置低电压警告或关机的阈值。

4.2 电压调节器保护

在电压调节器电路中，LM393可用于监测输出电压。当输出电压超出规定范围时，比较器的输出可以控制继电器或开关，保护电路免受过压或欠压损坏。

4.3 自动温控系统

在自动温控系统中，LM393可用来比较温度传感器的信号与参考值，当温度超过预定值时，比较器的输出可以控制风扇或加热器的工作状态。

5. LM393设计考虑

在使用LM393设计电路时，需要考虑以下几个方面：

输入电压范围：LM393的输入电压范围通常为0到Vcc，但必须避免输入电压超过电源电压，以防损坏芯片。
输出电流：由于LM393的输出是开集电极类型，输出只能驱动较小的电流。对于高电流负载，可能需要外部晶体管或其他电路。
响应速度：LM393的响应速度相对较慢，通常用于低频或直流信号的比较。对于高频信号，可能需要选择更高速的比较器或者添加适当的滤波电路来改善性能。

参考电压：选择合适的参考电压对于电路的精度至关重要。参考电压的稳定性直接影响到比较器的准确性。如果参考电压波动较大，会导致比较器的输出不准确。
外部电阻和拉高电阻的选择：由于LM393采用开集电极输出，通常需要外部拉高电阻将输出引脚拉至电源电压。拉高电阻的大小应根据所需的输出电流来选择，一般来说，拉高电阻的值不应太小，以免消耗过多电流，也不应太大，否则可能影响比较器的响应速度。
噪声抑制：在高精度应用中，可能需要对输入信号进行滤波，以减少噪声对比较器输出的影响。通常，可以使用低通滤波器或其他去噪电路来优化信号质量。

6. 常见应用电路分析

6.1 温度控制系统

在温度控制系统中，LM393可以用来检测温度传感器（如热电偶或热敏电阻）的信号，并与设定的温度阈值进行比较。当温度超过阈值时，比较器的输出将改变，从而触发控制器动作，例如打开或关闭加热器或风扇。

电路示意：

在这个温控电路中，热敏电阻（或其他温度传感器）提供输入信号，该信号与参考电压进行比较。当温度超过或低于设定范围时，比较器的输出将控制加热或冷却设备。

6.2 过电流保护电路

LM393广泛应用于过电流保护电路中。通过将电流检测电阻与比较器输入端连接，当电流超过设定的安全值时，比较器输出会触发断电或报警。

电路示意：

在过电流保护电路中，Rcurrent是一个电流检测电阻，它与电流的大小成正比。当电流超过安全阈值时，通过参考电压和输入电流的比较，比较器输出会发生变化，从而触发后续的保护动作。

6.3 电池电压监测

LM393还可以用来监测电池电压，尤其是在电池供电的设备中。通过设定一个阈值，当电池电压低于该阈值时，比较器的输出会触发报警或关闭设备以保护电池。

电路示意：

在此电路中，Battery是电池电压输入，Vout为输出信号。当电池电压低于设定的阈值时，比较器输出的电平变化可以用于控制低电压报警或断电保护。

7. 设计注意事项

在设计使用LM393的电路时，还需要注意以下几点：

供电电压的选择：LM393的工作电压范围通常为2V到36V，或单电源时为±18V。需要根据系统的工作电压选择合适的LM393型号，并确保输入电压不超过芯片的最大输入电压范围（一般为Vcc）。
输出拉高电阻的选择：由于LM393的输出是开集电极输出，必须通过外部电阻将输出拉高至电源电压。通常，拉高电阻的值在几千欧姆到几万欧姆之间，具体值要根据负载电流要求来选择。如果负载电流较大，拉高电阻值应较小，反之则可以较大。
输入电压匹配：LM393的输入电压必须在芯片的共模输入范围内，通常为0V到Vcc-2V之间。如果输入信号超出此范围，会导致比较器无法正常工作。因此，在设计电路时，要确保输入信号在允许范围内，或使用电平转换电路来匹配输入电压。
输出反向逻辑：由于LM393是开集电极输出，输出是反向逻辑的，即输入信号较高时输出为低电平，输入信号较低时输出为高电平。在某些应用中，可能需要对输出信号进行反向处理。