LM293系列比较器芯片引脚功能及应用详解

LM293是一款广受欢迎的双通道精密电压比较器，属于LM393系列中的低功耗版本。它以其卓越的性能、低功耗、宽电源电压范围以及出色的抗噪声能力，在工业控制、汽车电子、消费电子、电源管理等众多领域得到了广泛应用。理解LM293的引脚功能是掌握其应用的关键。本节将对LM293的各个引脚进行详细解读，并深入探讨其工作原理和典型应用。

1. LM293芯片概述

LM293是由多个半导体厂商生产的通用型双通道电压比较器。它主要用于比较两个输入电压的大小，并根据比较结果输出高电平或低电平。与运算放大器不同，比较器的输出不是模拟信号的线性放大，而是数字信号的快速切换。LM293的独特之处在于其开漏输出（Open-Collector Output）设计，这为设计者提供了极大的灵活性，可以直接驱动TTL、CMOS等逻辑电路，或作为电平转换器使用。

2. LM293主要特性

在深入了解引脚功能之前，有必要先了解LM293的一些核心特性，这些特性直接影响其引脚的定义和使用方式：

• 双通道设计： LM293内部集成两个独立的电压比较器，可以在一个芯片上实现两路电压比较功能，有效节省PCB空间和成本。

• 宽电源电压范围： 典型工作电压范围为2V至36V（单电源供电）或$pm1V至pm$18V（双电源供电）。这使其适用于各种电源环境。

• 低电源电流： LM293具有极低的静态电源电流，通常仅为几百微安，这对于电池供电或功耗敏感的应用至关重要。

• 开漏输出： 这是一个非常重要的特性。LM293的输出级是一个集电极开路的NPN晶体管。这意味着在输出高电平时，晶体管处于截止状态，输出引脚呈现高阻态，需要通过外部上拉电阻才能拉高电压；在输出低电平（晶体管导通）时，输出引脚被拉低至接近地电位。

• 低输入偏置电流： 保证了比较器对输入信号源的影响降到最低。

• 宽温度范围： 工业级产品通常支持-40°C至+85°C的工作温度范围，军品级支持更宽的温度范围。

• 兼容性强： 开漏输出使其能够轻松与各种逻辑电平兼容，例如TTL、CMOS以及微控制器端口。

3. LM293引脚功能详细解析

LM293通常采用8引脚DIP（双列直插式封装）或SOP（小外形封装）等形式。无论哪种封装，其引脚定义和功能都是一致的。以下是LM293各个引脚的详细说明：

• 引脚1：OUT1 (输出1)

• 上拉电阻： 必须在OUT1引脚和电源电压（或所需的逻辑高电平电压）之间连接一个外部上拉电阻。上拉电阻的阻值选择需要考虑驱动电流、上升时间以及功耗。

• 驱动能力： 虽然是开漏输出，但在拉低时具有一定的电流吸收能力，可以驱动LED、继电器等小负载。

• 电平转换： 通过调整上拉电阻连接的电压，可以实现不同逻辑电平之间的转换。例如，如果LM293由5V供电，但需要输出3.3V的逻辑信号，则可以将上拉电阻连接到3.3V电源。

• 多个开漏输出的连接： 多个开漏输出可以“线或”连接在一起，只要任何一个输出晶体管导通，共同的输出线就会被拉低。这在需要实现多路输入逻辑“或”功能时非常有用。

• 功能： 这是第一个比较器的输出引脚。如前所述，它是一个开漏输出。当比较器1的正向输入端电压高于负向输入端电压时，内部晶体管截止，OUT1呈高阻态；当正向输入端电压低于负向输入端电压时，内部晶体管导通，OUT1被拉低至接近地电位。

• 使用注意事项：

• 引脚2：IN1- (反相输入1)

• 信号源： 连接需要被比较的参考电压或信号。

• 输入阻抗： 比较器的输入阻抗很高，因此对信号源的负载效应很小。

• 共模输入范围： 确保输入电压在芯片的数据手册规定的共模输入电压范围内，否则可能导致比较器无法正常工作或输出异常。LM293的输入共模电压范围通常包括地电位。

• 功能： 这是第一个比较器的反相输入端。当该引脚的电压高于正向输入端（IN1+）时，输出OUT1被拉低；当该引脚的电压低于正向输入端（IN1+）时，输出OUT1呈高阻态（假设已连接上拉电阻）。

• 使用注意事项：

• 引脚3：IN1+ (同相输入1)

• 信号源： 通常连接待比较的输入信号。

• 输入阻抗和共模范围： 同IN1-引脚，需要注意输入阻抗和共模输入电压范围。

• 迟滞（Hysteresis）： 为了防止输入噪声或缓慢变化的输入信号导致输出振荡，通常会在比较器上引入迟滞。实现迟滞的一种常见方法是在IN1+（或IN1-）引脚上通过电阻和输出引脚进行正反馈。

• 功能： 这是第一个比较器的同相输入端。当该引脚的电压高于反相输入端（IN1-）时，输出OUT1呈高阻态；当该引脚的电压低于反相输入端（IN1-）时，输出OUT1被拉低。

• 使用注意事项：

• 引脚4：GND (地)

• 良好的接地： 为了保证比较器的稳定性和抗干扰能力，务必提供一个低阻抗、无噪声的良好接地。

• 旁路电容： 靠近VCC引脚放置一个0.1$muF到1mu$F的陶瓷旁路电容至GND，以滤除电源噪声并提供稳定的电源。

• 功能： 这是芯片的公共地引脚，需要连接到电路的地平面。

• 使用注意事项：

• 引脚5：IN2+ (同相输入2)

• 功能： 这是第二个比较器的同相输入端，功能与IN1+完全相同，用于第二个独立的比较通道。

• 引脚6：IN2- (反相输入2)

• 功能： 这是第二个比较器的反相输入端，功能与IN1-完全相同，用于第二个独立的比较通道。

• 引脚7：OUT2 (输出2)

• 功能： 这是第二个比较器的输出引脚，功能与OUT1完全相同，也是一个开漏输出，需要外部上拉电阻。

• 引脚8：VCC (电源电压)

• 电源范围： 确保所提供的电源电压在LM293的数据手册规定范围内（2V至36V）。

• 电源稳定性： 提供一个稳定、低噪声的电源。电源纹波和噪声可能会影响比较器的性能。

• 旁路电容： 建议在VCC引脚附近放置一个100nF（0.1$mu$F）的陶瓷电容与地之间，用于滤除高频噪声，提供瞬态电流，并确保电源的稳定性。对于长距离的电源线，可能还需要额外的电解电容进行低频滤波。

• 功能： 这是芯片的正电源输入引脚。

• 使用注意事项：

4. LM293工作原理

LM293内部由差分输入级、增益级和开漏输出级组成。其核心工作原理可以概括为以下几点：

• 差分输入： 比较器通过比较同相输入（IN+）和反相输入（IN-）之间的电压差来工作。

• 高增益： 内部的增益级具有非常高的开环增益，这意味着即使输入端存在微小的电压差，也会导致输出端发生剧烈的跳变。这种高增益是比较器能够快速响应输入变化并提供清晰数字输出的关键。

• 单向输出： 传统运放的输出级是推挽式的，既能拉高也能拉低。而LM293的开漏输出只负责将输出电压拉低（晶体管导通）。当输出需要为高电平时，内部晶体管截止，输出引脚变为高阻态，此时由外部上拉电阻将电压拉高。

• 阈值电压： 严格来说，比较器没有“阈值电压”的概念，它只是比较两个输入电压的大小。但是，在实际应用中，我们经常将其中一个输入（通常是反相输入）连接到一个固定的参考电压，这个参考电压就成为了“比较阈值”。当待测信号（连接到同相输入）超过或低于这个阈值时，输出就会翻转。

5. LM293典型应用

LM293的灵活性和鲁棒性使其在各种电路设计中都有用武之地。以下是一些典型的应用场景：

• 电平检测器：

• 过压/欠压保护： 通过设置一个参考电压作为阈值，LM293可以检测输入电压是否超过或低于某个设定值，并发出警报或触发保护电路。例如，在电池管理系统中，可以监测电池电压，当电压过低时发出低电量警告。

• 窗口比较器： 使用两个LM293比较器（或一个双通道LM293）可以构建一个窗口比较器。一个比较器检测上限，另一个检测下限，只有当输入电压在上下限之间时，输出才处于特定状态。这常用于检测信号是否处于“正常”范围内。

• 方波发生器/振荡器：

• 利用比较器的滞回特性和RC充放电电路，可以构建简单的方波发生器（例如，施密特触发器振荡器）。比较器作为反馈元件，周期性地翻转输出，从而控制电容的充放电。

• 脉宽调制（PWM）生成：

• 结合一个三角波或锯齿波发生器，LM293可以生成PWM信号。将三角波连接到比较器的一个输入端，将控制电压连接到另一个输入端。输出的占空比将随控制电压的变化而变化，这在电机控制、DC-DC转换器等领域非常常见。

• 零点穿越检测器：

• 当需要检测交流信号何时穿过零点时，可以将交流信号连接到LM293的一个输入端，另一个输入端接地。当交流信号的正半周超过零点时输出为高，负半周低于零点时输出为低。这在相位检测、频率测量和同步电路中非常有用。

• 继电器驱动：

• 由于LM293的开漏输出能够吸收一定的电流，可以直接或通过一个额外的晶体管驱动小型继电器。当比较器输出低电平时，继电器线圈得电并吸合。

• LED驱动/指示：

• 可以直接驱动LED。例如，当输入电压达到某个阈值时，点亮LED指示灯。LED可以连接在LM293的输出端和电源之间，或输出端和地之间（取决于驱动方式和需求）。

• 电平转换器：

• 利用开漏输出和不同电压的上拉电阻，LM293可以实现不同逻辑电平之间的转换。例如，将一个高电压信号转换为一个微控制器可识别的低电压信号。

• 光控开关：

• 结合光敏电阻（LDR）和参考电压，可以构建一个光控开关。当光线强度达到某个阈值时，LM293的输出翻转，从而控制灯光或其他设备的开关。

• 温度控制：

• 结合热敏电阻（NTC或PTC）和参考电压，可以实现简单的温度控制。例如，当温度超过设定值时，开启风扇或加热器。

6. LM293应用设计考虑

在实际应用中使用LM293时，除了了解引脚功能，还需要考虑以下几个方面以确保电路的稳定性和性能：

• 上拉电阻的选择： 上拉电阻的阻值至关重要。

• 过小： 会导致较高的静态功耗和较大的瞬态电流，可能损坏比较器或电源。

• 过大： 会导致输出上升时间过长（由于寄生电容的充放电），降低输出的响应速度，也可能降低输出的带载能力（因为流过上拉电阻的电流不足以有效驱动后级负载）。

• 典型值： 对于大多数数字逻辑接口，1k$Omega到10kOmega$是一个常用的范围。具体值取决于驱动电流需求、所需的上升时间和功耗预算。

• 输入迟滞（Hysteresis）：

• 必要性： 对于缓慢变化的输入信号或存在噪声的输入信号，如果没有迟滞，比较器的输出可能会在阈值附近反复翻转，导致“抖动”。

• 实现方法： 通常通过输出端到同相输入端（或反相输入端）的正反馈电阻来实现。这会创建两个不同的阈值：一个上升阈值和一个下降阈值，确保输出只有在输入信号明显超过或低于这些阈值时才会翻转。这种特性被称为施密特触发器特性。

• 优势： 提高抗噪声能力，避免输出振荡。

• 电源旁路：

• 在VCC引脚和GND之间放置一个0.1$mu$F的陶瓷旁路电容至关重要，它能有效滤除电源线上的高频噪声，为比较器提供稳定的瞬时电流，防止毛刺和不稳定现象。对于长电源线，可能还需要额外的较大容量电解电容。

• 输入保护：

• 虽然LM293具有一定的输入ESD保护，但在极端情况下，输入信号的过大电压或负电压可能会损坏芯片。在输入端串联限流电阻或并联肖特基二极管到电源轨可以提供额外的保护。

• 接地布局：

• 良好的接地布局是任何模拟电路稳定的基础。确保VCC和GND引脚的连接尽可能短且宽，以降低寄生电感和电阻。模拟地和数字地可能需要分开处理，并通过一点接地或磁珠连接。

• 输入偏置电流：

• 尽管LM293的输入偏置电流很小，但在高阻抗输入电路中，这仍然可能导致输入电压的微小偏移。如果精度要求极高，可能需要考虑输入偏置电流对阈值的影响，并进行相应的补偿。

• 输出负载：

• 确保开漏输出能够承受其驱动的负载电流。LM293通常可以吸收几毫安到几十毫安的电流。如果需要驱动较大电流的负载（如大功率继电器或高亮LED），则需要使用额外的晶体管作为驱动器。

• 响应时间：

• LM293的响应时间虽然不是最快的，但在大多数通用应用中是足够的。如果需要极高速的比较，可能需要选择其他专用的高速比较器。

• 温度漂移：

• 尽管LM293在宽温度范围内性能稳定，但在一些对精度要求极高的应用中，仍需考虑芯片参数随温度的变化，尤其是输入失调电压的漂移。必要时，可以使用具有更低温度漂移的精密比较器或进行温度补偿。

7. LM293与LM393系列的关系

LM293是LM393系列比较器的一个变种。它们在引脚功能和基本工作原理上高度相似。主要的区别通常在于：

• 温度范围： LM393通常是商业级（0°C至+70°C）或工业级（-40°C至+85°C）。LM293通常指定为汽车级或扩展工业级（-40°C至+105°C或更高），旨在满足更严苛的环境要求，例如汽车电子领域。

• 电源电流： 有些LM293的型号可能针对更低的电源电流进行了优化，以适应对功耗要求更严格的应用。

因此，在大多数通用应用中，LM293和LM393可以互换使用，但如果应用环境对温度范围、功耗或可靠性有特殊要求，则需要仔细查阅具体型号的数据手册以确认其特性。

8. 比较器与运算放大器的区别

理解LM293引脚功能和应用，也需要明确比较器与运算放大器（Op-Amp）之间的关键区别：

• 用途不同：

• 运算放大器： 主要用于模拟信号的线性放大、滤波、求和、积分、微分等，其目标是尽可能精确地复制或处理输入模拟信号。

• 比较器： 主要用于将两个模拟输入电压进行比较，并输出一个数字电平（高或低），表示哪个输入电压更高。它不用于信号的线性放大。

• 输出级不同：

• 运算放大器： 通常具有推挽式输出级，能够同时提供拉电流和灌电流，输出电压可以在正负电源轨之间摆动。

• 比较器（如LM293）： 通常具有开漏（或集电极开路）输出，只能吸收电流（拉低），不能主动提供拉电流（拉高），需要外部上拉电阻。这使得它非常适合作为逻辑接口。

• 内部增益：

• 运算放大器： 在反馈回路中工作时，通过负反馈来稳定其增益。虽然开环增益很高，但在实际应用中是通过外部电阻网络来设定其闭环增益。

• 比较器： 内部增益非常高且不使用负反馈（有时会使用正反馈实现迟滞），旨在使输出在输入稍有差异时迅速饱和到高电平或低电平。

• 响应速度：

• 比较器通常设计为比通用运算放大器具有更快的响应速度（传播延迟），以便快速检测电平变化。

• 输入失调电压和偏置电流：

• 比较器对输入失调电压和偏置电流的要求通常没有精密运算放大器那么严格，因为其主要功能是判断大小而不是精确放大。但对于某些高精度比较应用，这些参数仍然重要。

总结

LM293作为一款经典的双通道电压比较器，以其独特的开漏输出、宽电源电压范围和低功耗特性，在电子设计中扮演着重要的角色。深入理解其引脚功能——特别是同相输入（IN+）、反相输入（IN-）、开漏输出（OUT）和电源引脚（VCC、GND）——是成功应用这款芯片的基础。通过合理选择外部元件，如上拉电阻和迟滞反馈电阻，并遵循良好的电源旁路和接地实践，工程师可以利用LM293构建出稳定、可靠且高效的各种检测、控制和接口电路。无论是在简单的电平检测，还是在复杂的PWM生成和逻辑接口中，LM293都展现出卓越的性能和灵活性，成为工程师工具箱中不可或缺的一部分。