LM193比较器原理详解

　　LM193是一款广泛应用的双电压比较器，属于LM139/LM239/LM339系列中的一员，其特点是具有低功耗、宽电源电压范围以及与TTL、CMOS兼容的输出。它在各种工业、汽车和消费电子应用中扮演着关键角色，用于信号检测、电平转换、振荡器和窗口比较器等功能。理解LM193的工作原理，对于设计和故障排除基于它的电路至关重要。

　　1. LM193概述与主要特性

　　LM193，作为一款精密差分比较器，其核心功能是将两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出数字信号。与运算放大器不同，比较器主要设计用于开环操作，其输出状态通常只有两种：高电平或低电平。这种非线性特性使其非常适合于阈值检测和波形整形。LM193的典型工作电源电压范围宽，可以从单一电源供电（最低2V），也可以从双电源供电。其低输入偏置电流和低输入失调电压确保了比较的准确性。此外，它的开漏（Open-Drain）输出结构为其应用提供了极大的灵活性，可以直接与各种数字逻辑门接口，或者通过上拉电阻形成特定的输出电平。

　　LM193的主要特性包括：

　　低电源电流消耗： 尤其适用于电池供电或功耗敏感的应用。

　　宽电源电压范围： 兼容多种电源环境，从2V单电源到36V单电源，或$pm 1V到pm 18V$双电源。

　　低输入偏置电流： 减少了对输入信号源的负载效应，提高了比较精度。

　　低输入失调电压： 最小化了比较阈值的误差。

　　差分输入电压范围宽： 允许输入电压超过电源电压，提供了更大的设计灵活性。

　　开漏输出： 允许输出逻辑电平的灵活设定，便于与不同电压的数字逻辑电路接口。

　　兼容性强： 输出直接兼容TTL、CMOS逻辑。

　　内置ESD保护： 提高了器件的可靠性和鲁棒性。

　　2. 内部结构与工作原理

　　理解LM193的内部结构是掌握其工作原理的关键。尽管其内部电路复杂，但可以将其简化为几个核心模块：输入级、增益级和输出级。

　　2.1 输入级：差分对

　　LM193的输入级是一个经典的差分对（Differential Pair），通常由一对匹配的PNP或NPN晶体管组成。LM193通常采用PNP晶体管作为输入对，这意味着其输入共模电压范围可以延伸到负电源轨（对于单电源应用，通常是地）。

　　功能： 差分对负责接收两个输入信号：同相输入（+IN）和反相输入（-IN）。它的核心任务是将这两个输入电压的微小差异转化为电流变化。

　　工作机制： 当同相输入电压高于反相输入电压时，同相输入侧的晶体管将导通更强，导致其集电极电流增加，而反相输入侧的晶体管导通减弱，集电极电流减少。反之亦然。这种电流的差值是后续增益级的基础。

　　特点： 差分对具有高输入阻抗和良好的共模抑制比（CMRR），这意味着它对两个输入端上共有的电压变化不敏感，只对它们之间的差异做出响应。低输入偏置电流和低输入失调电压也主要由输入级的设计和制造精度决定。输入偏置电流是流向或流出输入端的微小电流，理想情况下为零。输入失调电压是使输出为零（或在比较器中为不确定状态）所需的两个输入端之间的电压差，理想情况下也为零。

　　2.2 增益级

　　输入级产生的差分电流或电压信号非常微弱，不足以直接驱动输出。因此，需要一个或多个增益级对信号进行放大。

　　功能： 增益级将输入级的微小信号放大到足以使输出级迅速切换的状态。比较器的高增益特性是其能够实现快速、明确切换的基础。

　　工作机制： 增益级通常由多级共射极或共集电极放大器组成，它们级联在一起，以提供非常高的电压增益。这种高增益意味着即使输入端存在微小的电压差，也能在输出端产生全摆幅的输出。

　　迟滞（Hysteresis）： 虽然LM193本身不内置迟滞功能，但理解增益级与迟滞的关系很重要。高增益使得比较器在阈值附近非常敏感，容易产生振荡。外部添加正反馈可以引入迟滞，从而提高抗噪声能力和防止输出振荡，尤其是在输入信号缓慢变化或存在噪声的情况下。迟滞定义了输出状态切换时的两个不同阈值：上升阈值和下降阈值。

　　2.3 输出级：开漏集电极

　　LM193的输出级是其最独特的特性之一：开漏（Open-Drain）集电极输出。

　　结构： 输出级通常由一个NPN晶体管的集电极连接到输出引脚，发射极接地。这个晶体管的基极由增益级驱动。重要的是，这个集电极是“开路”的，即它没有内部连接到正电源轨。

　　工作机制：

　　当$V_{IN+} > V_{IN-}$时： 增益级检测到同相输入较高，将驱动输出晶体管饱和导通。此时，输出晶体管的集电极将拉低到接近地电位（大约0.2V，取决于负载电流和温度），形成低电平输出。

　　当$V_{IN+} < V_{IN-}$时： 增益级检测到反相输入较高，将使输出晶体管截止。此时，输出晶体管的集电极处于高阻态，相当于断开连接。为了获得一个明确的高电平输出，必须在输出引脚和正电源轨（通常是逻辑电源或IO电源）之间连接一个外部上拉电阻。

　　优势：

　　电平转换： 开漏输出允许用户选择不同的上拉电源电压，从而实现与不同逻辑电平（如3.3V、5V、12V等）的接口。例如，LM193由5V供电，但其输出可以通过12V的上拉电阻驱动12V的负载。

　　线与（Wired-AND）功能： 多个开漏输出可以简单地连接在一起，通过一个公共上拉电阻实现“线与”逻辑。只要其中任何一个比较器输出低电平（即其输出晶体管导通），整个线与输出就会被拉低。只有当所有连接的比较器都输出高阻态时，输出才会被上拉电阻拉高。

　　电流灌入能力强： 开漏输出晶体管在导通时可以**灌入（sink）**相对较大的电流（通常可达20mA），使其能够直接驱动LED、继电器或其他低功耗负载。

　　3. 工作模式与应用电路

　　LM193作为电压比较器，其基本工作模式是比较两个模拟电压。通过不同的外部电路配置，可以实现多种功能。

　　3.1 基本比较器电路

　　最基本的LM193应用是将一个输入电压与一个固定的参考电压进行比较。

　　无迟滞比较器：

　　非反相比较器： 参考电压$V_{REF}连接到反相输入（−IN），待比较信号V_{IN}连接到同相输入（+IN）。当V_{IN} > V_{REF}时，输出低电平；当V_{IN} < V_{REF}$时，输出通过上拉电阻呈高电平。

　　反相比较器： 参考电压$V_{REF}连接到同相输入（+IN），待比较信号V_{IN}连接到反相输入（−IN）。当V_{IN} > V_{REF}时，输出通过上拉电阻呈高电平；当V_{IN} < V_{REF}$时，输出低电平。

　　注意事项： 无迟滞比较器对噪声非常敏感，在输入信号缓慢变化经过阈值点时，输出可能出现抖动或振荡。

　　3.2 带迟滞的比较器（施密特触发器）

　　为了克服无迟滞比较器的噪声敏感性，通常会引入正反馈来形成迟滞，从而将比较器转换为施密特触发器。迟滞会创建两个不同的阈值电压：一个用于上升沿触发（VUTP，Upper Threshold Point），另一个用于下降沿触发（VLTP，Lower Threshold Point）。

　　迟滞原理： 当输出为低电平（0V）时，反馈回路将设置一个较低的比较阈值。当输入信号上升并超过这个较低阈值时，输出翻转为高电平。一旦输出变为高电平，反馈回路会设置一个较高的比较阈值。此时，输入信号必须下降到低于这个较高的阈值，输出才会再次翻转为低电平。这种差异确保了在噪声存在时输出的稳定性。

　　迟滞电阻计算： 迟滞量由外部反馈电阻和输入电阻决定。例如，在一个非反相施密特触发器中，通过连接一个电阻从输出到同相输入端，以及一个电阻从同相输入到参考电压或地，可以实现迟滞。具体的阈值电压计算涉及分压器和输出电压（高电平$V_{OH}$和低电平$V_{OL}$）。

　　优点： 提高了抗噪声能力，防止了阈值附近的输出振荡，使得输出波形更加清晰稳定。

　　3.3 窗口比较器

　　窗口比较器用于检测输入电压是否落在两个预设的阈值之间（一个“窗口”）。它通常由两个独立的比较器（如LM193内部包含两个比较器）和一个逻辑门（通常是AND门，因为LM193的开漏输出可以直接线与）组成。

　　工作原理：

　　一个比较器配置为检测输入电压是否高于下限阈值（VTL）。

　　另一个比较器配置为检测输入电压是否低于上限阈值（VTU）。

　　这两个比较器的开漏输出连接在一起（实现线与）。只有当输入电压同时满足这两个条件时（即VTL<VIN<VTU），线与输出才会呈高电平。否则，输出为低电平。

　　应用： 电池电压监测、电源电压过高/过低报警、模拟信号限幅检测等。

　　3.4 振荡器

　　LM193也可以用于构建简单的弛豫振荡器，例如方波振荡器。

　　工作原理： 通过将比较器与RC充放电网络和正反馈结合，可以实现周期性的输出切换。

　　电容器在充电和放电之间循环，其电压在两个比较阈值之间摆动。

　　当电容电压达到上限阈值时，比较器输出翻转，导致电容开始向相反方向充放电。

　　当电容电压达到下限阈值时，比较器输出再次翻转，完成一个周期。

　　频率： 振荡频率由RC网络的时间常数和迟滞电压决定。

　　应用： 简单的时钟源、脉冲发生器、LED闪烁器等。

　　3.5 电平转换

　　由于其开漏输出特性，LM193非常适合进行电压电平转换。

　　原理： 输入信号可能来自低电压域（例如1.8V或3.3V），但需要驱动高电压设备（例如5V或12V）。通过将LM193的电源电压设置为较低的输入域电压（或者直接使用地和更高的负电压），并将上拉电阻连接到目标输出电压（例如5V或12V），即可实现电平转换。

　　示例： 将3.3V的MCU信号转换为5V或更高电压的信号以驱动继电器或其他外部电路。

　　4. LM193应用注意事项

　　在实际应用中，为了确保LM193的稳定和可靠工作，需要考虑以下几点：

　　4.1 电源去耦

　　在LM193的电源引脚（VCC）附近放置一个0.1$muF到1mu$F的陶瓷去耦电容至关重要。这个电容可以有效地滤除电源线上的高频噪声，防止其干扰比较器的正常工作，尤其是在输出切换时产生的瞬态电流。建议电容尽可能靠近芯片的电源引脚放置。

　　4.2 输入保护

　　尽管LM193具有一定的内置ESD保护，但在极端情况下，输入电压超过电源轨或低于地电位可能损坏器件。

　　在输入端串联限流电阻可以限制输入电流，并可以在输入端并联肖特基二极管到电源轨，以钳位输入电压，防止过压或欠压损坏。

　　对于高阻抗输入，应注意噪声拾取，可能需要额外的滤波或屏蔽。

　　4.3 上拉电阻的选择

　　上拉电阻的选择影响输出电流和上升时间。

　　电阻值过小： 会导致通过上拉电阻的电流过大，增加功耗，并可能超过LM193输出晶体管的最大灌入电流（sink current）能力，导致输出电平无法拉低到理想状态。

　　电阻值过大： 会导致输出上升时间变慢，因为输出电容（包括寄生电容和负载电容）的充电速度变慢。这会影响比较器在高速应用中的性能。

　　典型值： 对于大多数TTL或CMOS接口，通常使用1k$Omega到10kOmega$的上拉电阻。具体值需要根据负载类型、所需的上升时间以及允许的功耗进行权衡。

　　4.4 避免输入反转

　　对于单电源供电的比较器，如果输入电压低于地电位，可能会导致输出反转或不正常工作。LM193的输入共模电压范围包括地，因此其输入可以连接到地。然而，如果输入信号可能瞬时低于地电位，则需要特别注意，可能需要钳位二极管或负电源。

　　4.5 寄生振荡

　　高增益比较器在某些情况下容易发生寄生振荡，尤其是在PCB布局不当（例如，输入和输出走线过于接近，导致反馈）或输入信号噪声较大时。

　　预防措施：

　　良好地布线： 保持输入和输出走线分开，尽量缩短走线长度。

　　去耦电容： 确保电源去耦良好。

　　迟滞： 在必要时引入迟滞，这是最有效的防止振荡的方法之一。

　　输入滤波： 在输入端添加小电容（几pF到几十pF）可以滤除高频噪声，但也可能影响比较器的响应速度。

　　4.6 差分输入电压限制

　　尽管LM193可以处理输入电压超过电源轨，但输入引脚之间的最大差分电压是有限制的（通常与电源电压相等或略大）。超过此限制可能损坏器件。

　　5. 结论

　　LM193是一款功能强大、应用广泛的电压比较器，凭借其低功耗、宽电源电压范围和灵活的开漏输出，在各种电路设计中占据一席之地。理解其基于差分对、高增益级和开漏集电极的内部工作原理，对于正确配置和应用LM193至关重要。无论是简单的阈值检测、复杂的窗口比较、振荡器设计还是电平转换，LM193都能提供可靠的解决方案。通过遵循正确的电源去耦、输入保护和上拉电阻选择等设计准则，可以充分发挥LM193的性能，确保电路的稳定性和可靠性。它的多功能性和易用性使其成为工程师工具箱中不可或缺的组件之一。