HA17393芯片引脚图及详细介绍

HA17393是一款广泛应用的双电压比较器集成电路，以其高增益、低功耗和宽电源电压范围等特性，在各种电子设计中扮演着重要角色。本文将深入探讨HA17393的引脚布局、内部结构、工作原理、主要特性参数、典型应用电路以及设计考量，力求提供一份全面且详细的指南，帮助工程师和电子爱好者更好地理解和应用这款芯片。

HA17393芯片概述

HA17393，也称为LM393或兼容型号，是一款双通道（即包含两个独立的比较器）高精度电压比较器。它旨在比较两个输入电压的大小，并根据比较结果输出数字信号。其独特之处在于，HA17393的输出级是集电极开路（Open-Collector）结构，这意味着它需要一个外部上拉电阻才能正常工作，并能与不同电压的逻辑电路接口。这种特性使其在各种电源电压和逻辑电平的混合系统中具有极大的灵活性。HA17393芯片通常采用8引脚的DIP（双列直插式）或SOP（小外形封装）封装，便于PCB布局和焊接。

HA17393引脚图与功能详解

理解HA17393的引脚功能是正确使用芯片的基础。以下是HA17393的典型引脚配置及其详细功能描述：

DIP-8/SOP-8封装引脚图

     -------------
VCC | 1       8 | VCC
OUTA| 2       7 | OUTB
-INA| 3       6 | -INB
+INA| 4       5 | +INB
     -------------

引脚功能详细说明

• 引脚 1：VCC (正电源)这是芯片的正电源输入引脚。HA17393的工作电源电压范围非常宽，通常可以从2V到36V的单电源供电，或者在±1V到±18V的双电源下工作。这个宽泛的电源电压范围使得HA17393能够适应各种不同的应用场景，无论是低功耗电池供电系统还是高电压工业控制系统。为确保芯片稳定工作，建议在VCC引脚附近并联一个0.1μF到1μF的去耦电容，以滤除电源噪声，尤其是当电源线较长或电源纹波较大时。

• 引脚 2：OUTA (比较器A输出)这是比较器A的输出引脚。HA17393的输出是集电极开路结构。这意味着当比较器A的输出为低电平（即+INA电压高于-INA电压）时，该引脚会呈现低阻抗状态，近似于接地；当输出为高阻态（即+INA电压低于-INA电压）时，该引脚会呈现高阻抗状态，相当于开路。因此，为了使输出能够输出高电平，必须在OUTA引脚和正电源之间连接一个外部上拉电阻。这个上拉电阻的选择非常重要，它需要根据后续电路的输入阻抗和所需的上升时间来决定。通常，上拉电阻的阻值在1kΩ到100kΩ之间，较大的电阻会降低功耗但会增加上升时间，而较小的电阻则反之。

• 引脚 3：-INA (比较器A反相输入)这是比较器A的反相输入引脚。当施加到此引脚的电压高于非反相输入（+INA）的电压时，比较器A的输出（OUTA）将变为高阻态。反之，如果-INA的电压低于+INA的电压，OUTA将变为低电平。这个引脚通常连接到参考电压或需要被比较的信号的负极。

• 引脚 4：+INA (比较器A非反相输入)这是比较器A的非反相输入引脚。当施加到此引脚的电压高于反相输入（-INA）的电压时，比较器A的输出（OUTA）将变为低电平。反之，如果+INA的电压低于-INA的电压，OUTA将变为高阻态。这个引脚通常连接到需要被比较的信号的正极。

• 引脚 5：+INB (比较器B非反相输入)这是比较器B的非反相输入引脚。功能与+INA相同，只不过它对应的是HA17393内部的第二个比较器。

• 引脚 6：-INB (比较器B反相输入)这是比较器B的反相输入引脚。功能与-INA相同，对应HA17393内部的第二个比较器。

• 引脚 7：OUTB (比较器B输出)这是比较器B的输出引脚。功能与OUTA相同，同样是集电极开路输出，需要外部上拉电阻才能正常工作。

• 引脚 8：GND (地)这是芯片的公共地引脚。所有信号和电源的参考点都连接到此引脚。确保此引脚与电路的公共地良好连接，以提供稳定的参考电位。

HA17393内部结构与工作原理

HA17393的内部包含两个独立的电压比较器。每个比较器都由差分输入级、增益级和输出级组成。

差分输入级比较器的核心是差分输入级，通常由一对差分对晶体管构成。当加在两个输入引脚（例如+INA和-INA）上的电压有差异时，差分对会产生一个微小的差分电流。这个电流的方向和大小取决于两个输入电压的相对大小和差值。HA17393的输入级设计使其能够处理从地电平到VCC-1.5V（对于单电源）或VCC的正负电源（对于双电源）的输入电压范围，这被称为共模输入电压范围。

增益级差分输入级产生的微小差分电流被送入增益级进行放大。增益级的作用是将微小的输入电压差放大到足以驱动输出级的水平。HA17393具有非常高的开环增益，这意味着即使输入电压之间存在非常小的差异，也能在输出端产生显著的电平变化，从而实现精确的电压比较。高增益是比较器能够快速响应输入电压变化的关键。

输出级HA17393最显著的特点之一是其集电极开路输出级。这意味着输出引脚内部连接了一个NPN晶体管的集电极，其发射极连接到地。当晶体管导通时（例如，当+INA电压高于-INA电压时），输出引脚被拉低至接近地电平（通常小于0.4V）。当晶体管截止时（例如，当+INA电压低于-INA电压时），输出引脚处于高阻态，此时输出电压取决于外部上拉电阻和电源电压。

这种集电极开路输出结构提供了以下优势：

1. 电平转换能力：通过选择合适的上拉电阻和上拉电压，可以将比较器的输出与不同电压的逻辑电路（如TTL、CMOS等）接口，而无需额外的电平转换电路。例如，HA17393可以用5V电源供电，但通过一个连接到3.3V电源的上拉电阻，其输出可以直接驱动3.3V的微控制器输入。

2. 线与能力：多个集电极开路输出可以直接连接在一起，形成“线与”逻辑。只要其中任何一个输出晶体管导通（输出低电平），总线就会被拉低。只有当所有输出晶体管都截止时，总线才能通过上拉电阻拉高。这在某些控制或监测应用中非常有用。

滞回效应（Hysteresis）虽然HA17393本身不内置滞回功能，但在许多实际应用中，为了防止输入噪声或输入信号在跳变点附近来回振荡导致的输出抖动，通常会通过外部电阻网络为比较器添加正反馈，从而引入滞回。滞回效应意味着比较器从低到高跳变的阈值电压与从高到低跳变的阈值电压不同。例如，如果设计一个滞回电压为100mV的比较器，当输入电压从低于参考电压上升到参考电压以上100mV时，输出才翻转；而当输入电压从高于参考电压下降到参考电压以下100mV时，输出才翻转。这有效地增加了比较器的抗干扰能力，使其输出更加稳定。

HA17393主要特性参数

了解HA17393的关键电气特性参数对于正确选择和设计电路至关重要。

• 电源电压范围 (Supply Voltage Range):

• 单电源: 2V 至 36V

• 双电源: ±1V 至 ±18V

• 宽电源范围是HA17393的一大优势，使其适用于电池供电系统（低电压）和工业控制（高电压）等多种应用。

• 输入失调电压 (Input Offset Voltage, V_IO):

• 典型值: 2mV

• 最大值: 7mV (在某些型号或温度范围内可能更高)

• 输入失调电压是比较器两个输入端之间，为了使输出恰好改变状态所需的电压差。它表示了比较器固有的不匹配性。在精确的电压比较应用中，需要考虑或补偿这个失调电压。

• 输入偏置电流 (Input Bias Current, I_IB):

• 典型值: 25nA

• 最大值: 250nA (在某些型号或温度范围内可能更高)

• 输入偏置电流是流入或流出比较器输入端的直流电流。当输入端连接高阻抗信号源时，这些电流会在信号源电阻上产生压降，从而引入误差。因此，对于高阻抗应用，应选择输入偏置电流更低的比较器，或在输入端使用缓冲器。

• 输入失调电流 (Input Offset Current, I_IO):

• 典型值: 5nA

• 最大值: 50nA (在某些型号或温度范围内可能更高)

• 输入失调电流是两个输入偏置电流之间的差值。

• 输入共模电压范围 (Input Common-Mode Voltage Range, V_ICR):

• 通常从地电平到 VCC - 1.5V (对于单电源)

• 这意味着输入信号的电压范围必须在此范围内，否则比较器可能无法正常工作。当输入电压接近或超出此范围时，比较器的性能（如响应时间、增益）可能会下降。

• 输出饱和电压 (Output Saturation Voltage, V_OL):

• 典型值: 0.1V (当输出晶体管导通，灌入电流为4mA时)

• 最大值: 0.4V

• 这是当输出为低电平时，输出引脚相对于地的电压。理想情况下，此电压应为0V。实际中，它是一个小的正值，需要注意其对后续逻辑电路的低电平阈值的影响。

• 输出漏电流 (Output Leakage Current, I_OH):

• 最大值: 0.1μA (当输出为高阻态时)

• 这是当输出晶体管截止时，流出输出引脚的微小电流。在一些需要极低功耗的应用中，需要关注这个参数。

• 响应时间 (Response Time):

• 典型值: 1.3μs (对于5mV过驱动)

• 响应时间是输入电压跨越阈值后，输出电压达到稳定状态所需的时间。这个参数决定了比较器能够响应多快变化的输入信号。对于高速应用，需要选择响应时间更快的比较器。

• 功耗 (Power Consumption):

• 低功耗是HA17393的另一个优点，使其非常适合电池供电的应用。

HA17393典型应用电路

HA17393的灵活性和高性价比使其成为各种电压比较和信号处理电路的理想选择。

1. 基本电压比较器

这是HA17393最直接的应用。将一个参考电压（V_REF）连接到其中一个输入端，将待比较的信号（V_IN）连接到另一个输入端。

• 非反相比较器： V_REF 接到 -INA，V_IN 接到 +INA。当 V_IN > V_REF 时，OUTA 为低电平；当 V_IN < V_REF 时，OUTA 为高阻态（通过上拉电阻拉高）。

• 反相比较器： V_REF 接到 +INA，V_IN 接到 -INA。当 V_IN > V_REF 时，OUTA 为高阻态（通过上拉电阻拉高）；当 V_IN < V_REF 时，OUTA 为低电平。

       VCC
        |
        R_pullup
        |
OUTA ----+------> Logic Input (e.g., Microcontroller GPIO)
        |
        |
       HA17393
       +-------+
 -INA --| 3   2 |-- OUTA
 +INA --| 4   1 |-- VCC
        |       |
        |       |
 GND ----| 8   5 |-- +INB (unused or other compare)
        |       |
        |       |
        +-------+

2. 带滞回的施密特触发器

为了防止噪声导致的输出抖动，可以为比较器引入正反馈，形成施密特触发器。这通过在输出端和非反相输入端之间连接电阻来实现。

       VCC
        |
        R_pullup
        |
OUTA ----+-----> Logic Input
        |
        |      R2
       +-------+-------+
       |       |       |
 -INA --| 3     |       |
        |       |       |
 +INA --| 4     +-------+ R1
        |             |
        |             |---- V_IN (input signal)
        |             |
        |             GND
       +-------+

在这个电路中，V_IN 是输入信号。R1和R2构成一个分压网络，并为+INA提供反馈。

• 当OUTA为低电平（接近0V）时，+INA的有效阈值电压较低。

• 当OUTA通过上拉电阻拉高（接近VCC）时，+INA的有效阈值电压较高。 通过计算R1和R2的值，可以精确地设置上升阈值（V_UTP）和下降阈值（V_LTP），从而实现滞回。

3. 窗口比较器

窗口比较器用于检测输入电压是否在一个预设的“窗口”内。HA17393的两个比较器可以很方便地实现这一功能。一个比较器用于检测输入电压是否超过上限，另一个用于检测是否低于下限。

       VCC
        |
        R_pullup_A      R_pullup_B
        |               |
OUTA ---+--------------> Logic Input 1 (Low Threshold Exceeded)
        |               |
OUTB ---+--------------> Logic Input 2 (High Threshold Exceeded)
        |               |
       HA17393          |
       +-------+        |
 -INA --| 3   2 |-- OUTA  |
 +INA --| 4   1 |-- VCC   |
        |       |         |
 -INB --| 6   7 |-- OUTB  |
 +INB --| 5   8 |-- GND   |
        |       |         |
        +-------+         |
            |             |
V_UPPER_THRESHOLD ----(+INA)
V_LOWER_THRESHOLD ----(-INB)
            |             |
V_IN --------------------(+INB & -INA)

在这个电路中：

• 比较器A： 设置为检测 V_IN 是否低于下限阈值 V_LOWER_THRESHOLD。例如，将 V_LOWER_THRESHOLD 连接到 +INA，V_IN 连接到 -INA。当 V_IN < V_LOWER_THRESHOLD 时，OUTA 变高（通过上拉），表示低于下限。

• 比较器B： 设置为检测 V_IN 是否高于上限阈值 V_UPPER_THRESHOLD。例如，将 V_UPPER_THRESHOLD 连接到 -INB，V_IN 连接到 +INB。当 V_IN > V_UPPER_THRESHOLD 时，OUTB 变高（通过上拉），表示高于上限。 通过逻辑门（如与门或非门）组合两个输出，可以判断 V_IN 是否在窗口内部或外部。

4. 过压/欠压检测器

类似于窗口比较器，但通常只关注一个阈值。

• 过压检测： 设置一个参考电压 V_TH 作为阈值。当输入电压 V_IN 超过 V_TH 时，输出翻转。

• 欠压检测： 设置一个参考电压 V_TH 作为阈值。当输入电压 V_IN 低于 V_TH 时，输出翻转。

设计考量与注意事项

在使用HA17393进行电路设计时，需要考虑以下几点以确保其最佳性能和可靠性。

1. 电源去耦： 在HA17393的VCC引脚和GND引脚之间放置一个0.1μF到1μF的陶瓷去耦电容。该电容应尽可能靠近芯片引脚放置，以有效滤除电源噪声和瞬态电流，防止比较器输出不稳定或振荡。在高频应用中，甚至可能需要并联一个更大的电解电容。

2. 输入电阻： 如果输入信号源具有高阻抗，或者需要限制输入电流，可以在HA17393的输入引脚串联一个电阻。然而，请注意，过大的输入电阻会增加输入偏置电流和输入失调电流引起的电压降，从而影响比较精度。同时，输入电阻与输入寄生电容会形成RC滤波器，可能会影响比较器的响应速度。

3. 上拉电阻的选择：

• 阻值范围： 上拉电阻的阻值通常在1kΩ到100kΩ之间。

• 影响输出电流： 较小的上拉电阻（例如1kΩ）可以提供更大的输出灌电流，使输出上升沿更快，也能更好地驱动容性负载。但代价是会增加功耗。

• 影响功耗： 较大的上拉电阻（例如100kΩ）会降低功耗，但会增加输出上升时间，可能无法驱动需要较大电流的负载。

• 与后续逻辑电平匹配： 上拉电阻的另一端应连接到后续逻辑电路所需的电压电平。例如，如果驱动5V TTL逻辑，上拉到5V；如果驱动3.3V CMOS逻辑，上拉到3.3V。

4. 输入电压范围： 确保输入信号电压始终在HA17393的共模输入电压范围内。超出此范围可能导致比较器输出错误或性能下降。对于单电源应用，输入电压应大于或等于GND，且小于VCC-1.5V。

5. 防止输入电压倒置： 尽管HA17393对输入反向电压具有一定的容忍度，但长时间或大电流的反向偏置可能会损坏芯片。在可能出现输入电压倒置的应用中，考虑在输入端添加保护二极管。

6. 噪声和寄生耦合： 比较器非常敏感，易受电源噪声、地线噪声以及邻近信号线的电磁干扰影响。在PCB布局时，应遵循良好的布线实践：

• 星形接地： 尽量采用星形接地，将所有地线连接到一点，以避免地环路噪声。

• 短而粗的走线： 确保电源线和地线短而粗，以降低阻抗。

• 信号隔离： 将敏感的输入信号线与噪声源（如开关电源、数字时钟线）保持距离，或使用屏蔽线。

• 避免交叉： 信号线尽量避免互相交叉，尤其是模拟和数字信号线。

7. 自激振荡： 比较器的高增益使其容易发生自激振荡，尤其是在输入信号变化缓慢或输入端有寄生电容时。解决自激振荡的方法包括：

• 添加滞回： 这是最有效的方法，通过正反馈引入滞回。

• 输入端串联小电阻： 在输入端串联100Ω到1kΩ的小电阻，可以降低Q值，抑制高频振荡。

• 输出端串联小电阻： 在输出端串联小电阻（几十欧姆），可以隔离容性负载，并与负载电容形成RC滤波器，抑制振荡。

• 减小引线长度： 缩短输入/输出引线长度，减少寄生电感和电容。

8. 温度影响： HA17393的特性参数，如输入失调电压和偏置电流，会随温度变化。在宽温度范围应用中，应考虑这些参数的变化对电路性能的影响。

9. 灌电流能力： HA17393的输出是集电极开路，主要提供灌电流能力（即拉低负载的能力）。它不能源出电流。如果需要源出电流，则需要额外的驱动电路（例如PNP晶体管或P沟道MOSFET）。

10. 多余比较器的处理： HA17393包含两个独立的比较器。如果只需要一个，未使用的比较器应妥善处理。通常，建议将未使用的比较器的输入端连接到地或VCC，输出端悬空，以防止其内部晶体管因不确定状态而产生噪声或消耗额外电流。例如，将未使用的比较器的两个输入端都接到地，并让输出悬空。

总结

HA17393是一款经济高效且功能强大的双电压比较器，凭借其宽电源电压范围、低功耗和集电极开路输出特性，在模拟和数字电路设计中拥有广泛的应用前景。从简单的电压电平检测到复杂的窗口比较器和施密特触发器，它都能提供可靠的性能。深入理解其引脚功能、内部工作原理以及关键电气参数，并结合良好的设计实践，可以帮助工程师充分发挥HA17393的潜力，构建出稳定、高效且可靠的电子系统。希望这份详细的介绍能够成为您在HA17393应用过程中的宝贵参考。