LM339比较器及其典型应用电路

　　LM339是一款广泛应用的四路电压比较器集成电路，以其低功耗、宽电源电压范围、兼容TTL/CMOS输出等优点，在各种电子设计中扮演着重要的角色。它通常用于将模拟信号转换为数字信号，或者在特定电压阈值下进行判断和控制。

　　1. LM339比较器概述

　　LM339由四个独立的电压比较器组成，每个比较器都具有一个差分输入对（反相输入端IN-和同相输入端IN+）和一个开漏（Open-Drain）输出端。开漏输出意味着输出端在导通时会拉低到接近地电位，在截止时则呈高阻态，需要外接上拉电阻才能输出高电平。这种开漏输出的特性使其可以方便地与不同电压的TTL/CMOS逻辑电路接口。

　　主要特性：

　　低功耗： 整个芯片的静态电流非常小，非常适合电池供电或功耗敏感的应用。

　　宽电源电压范围： 单电源供电电压可从2V到36V，双电源供电电压可从±1V到±18V。这种宽泛的电压适应性使其能满足多种供电需求。

　　兼容TTL/CMOS输出： 开漏输出特性使其能够直接驱动TTL、CMOS以及继电器、灯泡等负载，而无需额外的电平转换电路。

　　宽输入共模电压范围： 输入共模电压范围宽，甚至可以包含地电位，这增加了其在低电压应用中的灵活性。

　　低输入偏置电流： 较低的输入偏置电流减小了对输入信号源的影响。

　　内部过载保护： 输入端具有内部保护电路，防止输入电压过高损坏芯片。

　　LM339的封装形式常见为DIP-14或SOP-14。其引脚配置包括VCC（电源正极）、GND（地）、四个独立的比较器输入端（IN-和IN+）以及四个独立的比较器输出端。

　　2. LM339基本工作原理

　　LM339比较器的核心功能是比较两个输入电压的大小。当同相输入端IN+的电压高于反相输入端IN-的电压时，比较器输出低电平（接近地电位）；当同相输入端IN+的电压低于反相输入端IN-的电压时，比较器输出高阻态。由于是开漏输出，高阻态需要通过外部上拉电阻R_L才能变为高电平（VCC）。

　　数学表达式：

　　如果 VIN+>VIN−，则 VOUT≈0V (低电平)

　　如果 VIN+<VIN−，则 VOUT 为高阻态 (通过上拉电阻呈高电平 VCC)

　　LM339的内部结构通常由差分输入级、电平转换级和输出级组成。差分输入级负责比较两个输入电压的微小差异，并将其放大；电平转换级将放大的信号转换为适当的电压范围；输出级则是一个开漏晶体管，根据比较结果导通或截止。

　　需要注意的是，LM339是一种非反相比较器，即当同相输入电压高于反相输入电压时，输出为低电平；当同相输入电压低于反相输入电压时，输出为高电平（通过上拉）。这种特性在设计电路时需要特别留意。如果需要反相输出，可以通过交换输入端的连接来实现。

　　3. 典型应用电路

　　LM339在各种电子应用中都有其独特的身影，下面将详细介绍几种典型的应用电路及其设计考量。

　　3.1. 单限电压比较器

　　单限电压比较器是最基本的LM339应用。它用于检测输入电压是否超过或低于某个设定的阈值。

　　3.1.1. 上限电压检测器

　　电路描述： 将一个固定的参考电压（VREF）接到反相输入端（IN-），将待检测的输入电压（VIN）接到同相输入端（IN+）。输出端接一个上拉电阻到VCC。

　　工作原理：

　　当 VIN>VREF 时，输出低电平。

　　当 VIN<VREF 时，输出高电平（通过上拉电阻）。

　　应用： 常用于过压保护、电压阈值报警等。例如，当电池电压过高时发出警报，或控制充电电路停止充电。

　　3.1.2. 下限电压检测器

　　电路描述： 将待检测的输入电压（VIN）接到反相输入端（IN-），将一个固定的参考电压（VREF）接到同相输入端（IN+）。输出端接一个上拉电阻到VCC。

　　工作原理：

　　当 VIN<VREF 时，输出低电平。

　　当 VIN>VREF 时，输出高电平（通过上拉电阻）。

　　应用： 常用于欠压保护、电压阈值报警等。例如，当电池电压过低时断开负载以保护电池，或指示设备电量不足。

　　设计考量：

　　参考电压的设置： VREF 可以通过电阻分压器、稳压二极管或专用的电压基准芯片来提供。其稳定性直接影响比较器的精度。

　　上拉电阻的选择： 上拉电阻的值应根据后级电路的输入阻抗和所需的输出电流来选择。过大的电阻会导致输出上升沿变慢，过小的电阻会增加功耗。

　　输入阻抗： LM339的输入阻抗较高，因此通常不需要考虑信号源的负载效应。

　　抗干扰： 在输入端和参考电压端放置小电容（如0.1μF）可以有效滤除高频噪声，提高比较的稳定性。

　　3.2. 滞回比较器（史密特触发器）

　　单纯的单限比较器在输入信号存在噪声或在阈值附近波动时，输出会频繁地跳变，造成“抖动”现象。滞回比较器（或称史密特触发器）通过引入正反馈来解决这个问题，使得比较器具有两个不同的阈值电压（上升阈值和下降阈值），从而有效抑制噪声，提高输出稳定性。

　　3.2.1. 同相滞回比较器

　　电路描述： 在同相输入端（IN+）和输出端之间引入一个正反馈电阻R2，同时将反相输入端（IN-）连接到参考电压VREF。另一个电阻R1连接输入信号到同相输入端。

　　工作原理：

　　上升阈值 (VTHH): 当输入电压$V_{IN}$从低电平逐渐升高时，一旦$V_{IN}$达到或超过$V_{THH}$，输出从高电平（VCC）跳变为低电平（0V）。此时，$V_{THH}$由 VREF 和反馈电阻R1、R2决定。

　　下降阈值 (VTHL): 当输入电压$V_{IN}$从高电平逐渐降低时，一旦$V_{IN}$下降到或低于$V_{THL}$，输出从低电平（0V）跳变为高电平（VCC）。此时，$V_{THL}$也由 VREF 和反馈电阻R1、R2决定。

　　滞回电压 (VH): 滞回电压为上升阈值和下降阈值的差值，VH=VTHH−VTHL。这个差值使得比较器在阈值附近有一个“不敏感区域”，有效避免了输出抖动。

　　3.2.2. 反相滞回比较器

　　电路描述： 将参考电压$V_{REF}连接到同相输入端（IN+），输入信号V_{IN}$通过电阻R1连接到反相输入端（IN-），同时在输出端和反相输入端之间加入正反馈电阻R2。

　　工作原理：

　　当输入电压$V_{IN}从低电平逐渐升高时，一旦V_{IN}$达到或超过某个阈值，输出从低电平跳变为高电平。

　　当输入电压$V_{IN}从高电平逐渐降低时，一旦V_{IN}$下降到或低于另一个阈值，输出从高电平跳变为低电平。

　　应用： 广泛应用于抗噪声信号检测、方波整形、振荡器等。例如，用于将缓慢变化的模拟信号转换为清晰的数字脉冲。

　　设计考量：

　　滞回电压的计算： 滞回电压的大小由反馈电阻R1和R2以及电源电压VCC决定。精确计算需要考虑到LM339输出的低电平接近0V和高电平通过上拉电阻得到VCC。

　　电阻值选择： 选择合适的电阻值以保证所需的滞回量，并确保输入电流在LM339的允许范围内。

　　避免误触发： 滞回比较器虽然能抑制噪声，但如果噪声幅度过大，仍可能导致误触发。因此，在必要时，输入信号仍需进行适当的滤波处理。

　　3.3. 窗式比较器（窗口比较器）

　　窗式比较器用于检测输入电压是否落在两个预设阈值之间。如果输入电压在“窗口”内，则输出一个状态；如果超出“窗口”，则输出另一种状态。

　　电路描述： 通常使用两个LM339比较器来实现。一个比较器用于检测上限阈值，另一个用于检测下限阈值。两个比较器的输出通过逻辑门（如AND门）或直接连接到单个上拉电阻来共同驱动一个输出。

　　将$V_{IN}$连接到第一个比较器（U1）的IN+和第二个比较器（U2）的IN-。

　　将上限参考电压$V_{THH}$连接到U1的IN-。

　　将下限参考电压$V_{THL}$连接到U2的IN+。

　　U1和U2的输出端都接一个共同的上拉电阻，然后连接到最终的输出端。

　　工作原理：

　　当 VTHL<VIN<VTHH 时（输入电压在窗口内），U1的输出为高阻态（IN+ < IN-），U2的输出也为高阻态（IN- >IN+），此时通过共同的上拉电阻，最终输出高电平。

　　当 VININ-，U2输出低电平，最终输出为低电平。

　　当 VIN>VTHH 时（输入电压高于上限），U1的IN+ > IN-，U1输出低电平，最终输出为低电平。

　　应用： 广泛应用于电源电压监控、电池充电状态指示、模拟信号电平检测等。例如，在电池充电器中，检测电池电压是否处于安全充电范围内。

　　设计考量：

　　阈值电压的设置： VTHH 和 VTHL 的设置至关重要，它们决定了窗口的宽度。通常通过精密电阻分压器来设置。

　　输出逻辑： 根据应用需求，可以选择不同的输出组合方式。如果需要“在窗口内输出低电平，否则高电平”，则可以调整比较器的输入连接或增加反相器。

　　精度和稳定性： 为了确保窗口比较器的精度，需要使用高精度的参考电压源和低温度系数的电阻。

　　3.4. 振荡器和波形发生器

　　LM339也可以用于构建各种振荡电路，如方波发生器、多谐振荡器等。

　　3.4.1. 方波发生器（非稳态多谐振荡器）

　　电路描述： 利用LM339的一个比较器，结合RC充放电电路和正反馈。通常将一个电阻R和电容C串联，电容两端电压作为比较器的输入，同时通过反馈电阻将输出反馈到输入端。

　　工作原理：

　　电路通电后，电容开始充电。当电容电压达到一个阈值时，比较器翻转，输出电平改变。

　　输出电平的改变导致电容开始反向充电或放电。当电容电压达到另一个阈值时，比较器再次翻转。

　　这个过程周而复始，形成周期性的方波输出。

　　频率计算： 振荡频率取决于R和C的值以及比较器的滞回特性。

　　3.4.2. 三角波发生器

　　电路描述： 三角波发生器通常由一个方波发生器（使用LM339）和一个积分器（使用运算放大器）组成。方波发生器的输出作为积分器的输入，积分器将方波积分成三角波。

　　工作原理： 方波的高电平使积分器输出线性上升，低电平使积分器输出线性下降，从而产生三角波。

　　设计考量：

　　RC参数选择： 准确选择R和C的值以获得所需的振荡频率和占空比。

　　电源稳定性： 稳定的电源对振荡器的频率稳定性和波形质量至关重要。

　　输出负载： 振荡器的输出通常需要驱动其他电路，因此需要考虑LM339的输出驱动能力和上拉电阻的选择。

　　3.5. 延时电路

　　LM339可以与RC充放电网络结合，实现简单的延时功能。

　　电路描述： 一个电阻R和一个电容C串联，当输入信号触发时，电容开始充放电。LM339比较器监测电容上的电压，当电容电压达到或低于设定阈值时，比较器翻转，产生延时后的输出。

　　工作原理：

　　例如，在延时开启电路中，当输入信号变为高电平，电容开始充电。当电容电压充到LM339的阈值时，输出才翻转，实现延时开启。

　　在延时关闭电路中，当输入信号变为低电平，电容开始放电。当电容电压放电到LM339的阈值时，输出才翻转，实现延时关闭。

　　应用： 广泛应用于电源时序控制、按键消抖、自动化设备中的时间延迟等。

　　设计考量：

　　RC常数： 延时时间主要由RC时间常数决定。

　　阈值电压： LM339的阈值设置影响延时时间的精度。

　　复位机制： 对于可重复触发的延时电路，需要设计合适的复位机制以保证下次触发的准确性。

　　3.6. 电池电压检测与监控

　　LM339常用于电池供电设备中，进行电池电压的实时监控。

　　电路描述： 通过电阻分压器将电池电压降压到LM339的输入共模电压范围内，然后与一个参考电压进行比较。可以设计成单限检测（低电压报警/高电压报警）或窗式检测（在正常电压范围内）。

　　工作原理：

　　例如，设计一个低电量报警电路。当电池电压下降到预设阈值以下时，比较器输出低电平，驱动一个LED或蜂鸣器进行报警。

　　对于更复杂的应用，可以利用多个LM339比较器来创建多个电压阈值，以指示电池的不同电量状态（如低电量、中等电量、满电）。

　　应用： 手机、便携式设备、电动工具、不间断电源（UPS）等。

　　设计考量：

　　分压电阻的精度： 为了准确测量电池电压，分压电阻应选择高精度、低温度系数的电阻。

　　参考电压的稳定性： 稳定的参考电压源是保证电池电压检测精度的关键。

　　滞回设计： 对于电池电量指示，通常会引入一定的滞回，防止在阈值附近反复跳变。

　　3.7. 光控开关与暗/亮检测

　　LM339可以与光敏电阻（LDR）或其他光敏传感器配合，实现光控开关功能。

　　电路描述： 将光敏电阻与一个固定电阻串联，构成一个分压器，光敏电阻的阻值随光照强度变化。LM339比较器监测分压点电压，与参考电压进行比较。

　　工作原理：

　　暗检测（光弱时开启）： 当光照减弱时，光敏电阻阻值增大，分压点电压变化，达到阈值时触发比较器翻转，开启负载（如路灯）。

　　亮检测（光强时开启）： 当光照增强时，光敏电阻阻值减小，分压点电压变化，达到阈值时触发比较器翻转，开启负载（如自动窗帘）。

　　应用： 自动路灯、感应灯、光控报警器、自动窗帘等。

　　设计考量：

　　光敏电阻的特性： 了解光敏电阻的阻值与光照强度之间的关系，以便选择合适的固定电阻和阈值电压。

　　环境光线变化： 考虑环境光线的波动，可能需要引入滞回以避免误触发。

　　负载驱动能力： LM339的输出直接驱动能力有限，对于大电流负载，需要通过继电器或晶体管进行驱动。

　　4. LM339应用设计中的通用注意事项

　　在设计基于LM339的电路时，除了上述特定应用的考量，还有一些通用的注意事项需要遵循，以确保电路的稳定性和可靠性。

　　4.1. 电源去耦

　　在LM339的电源引脚（VCC和GND）附近放置一个0.1μF的陶瓷电容器（去耦电容）可以有效滤除电源线上的高频噪声，防止其干扰比较器的正常工作。这个电容应尽可能靠近芯片引脚放置。

　　4.2. 输入保护

　　虽然LM339具有一定的输入过载保护，但在某些极端情况下（例如输入电压远超电源电压或输入端有大电流冲击），仍可能损坏芯片。可以在输入端串联一个限流电阻，并在输入与地之间并联一个肖特基二极管或齐纳二极管，以提供额外的过压保护。

　　4.3. 上拉电阻的选择

　　开漏输出需要上拉电阻才能输出高电平。上拉电阻的选择需要平衡功耗、输出上升时间以及对后续电路的驱动能力。

　　功耗： 上拉电阻值越小，当输出低电平（接近0V）时，流过电阻的电流越大，功耗越高。

　　上升时间： 输出上升时间取决于上拉电阻和输出端寄生电容的RC时间常数。电阻越大，上升时间越长，这在高速应用中可能是一个问题。

　　驱动能力： 如果需要驱动外部负载，上拉电阻必须足够小，以提供足够的电流。通常，上拉电阻的值在1kΩ到100kΩ之间，具体取决于应用。

　　4.4. 避免输入端悬空

　　LM339的未使用的输入端不应悬空。悬空的输入端容易受到噪声干扰，导致比较器输出不稳定。建议将未使用的输入端连接到VCC、GND或某个固定的参考电压。例如，如果反相输入端未使用，可以将其连接到同相输入端，并将同相输入端连接到地或VCC。

　　4.5. 差分输入偏差

　　LM339具有较小的输入失调电压和偏置电流，但在精密应用中仍需考虑。输入失调电压会导致比较阈值与理论值之间存在微小偏差。输入偏置电流流过输入电阻时会产生额外的电压降，影响比较精度。可以通过选择低失调电压和偏置电流的比较器或进行校准来补偿。

　　4.6. PCB布局

　　良好的PCB布局对于高性能的比较器电路至关重要。

　　地线布局： 确保有良好的地线平面，尽量缩短信号线和电源线的长度。

　　噪声源隔离： 将模拟输入信号路径与数字输出信号路径分开，避免相互干扰。

　　去耦电容靠近芯片： 将去耦电容放置在VCC和GND引脚附近，以最大限度地发挥其滤波作用。

　　4.7. 温度影响

　　LM339的参数（如输入失调电压、偏置电流）会随温度变化。在宽温度范围工作的应用中，需要考虑这些参数的变化对电路性能的影响，并可能需要进行温度补偿或选择工业级/军用级芯片。

　　5. 结语

　　LM339作为一款经典且多功能的四路电压比较器，凭借其卓越的性能和灵活性，在各种电子设计中占据着不可或缺的地位。从简单的电压检测到复杂的波形发生器和控制系统，LM339的应用范围非常广泛。理解其基本工作原理、开漏输出特性以及各种典型应用电路的设计考量，是成功利用LM339进行电子设计的关键。

　　在实际应用中，工程师需要根据具体的需求，综合考虑电源、负载、精度、抗干扰和成本等因素，选择合适的电路拓扑和元器件参数。通过深入理解LM339的特性并遵循良好的设计实践，可以构建出稳定、可靠且高效的电子系统。希望这份详细的介绍能帮助您更好地理解和应用LM339比较器。