LM393常用電路與原理

LM393是一種常見的雙路比較器芯片，廣泛應用于電路設計中，特別是在信號處理、閾值檢測、自動控制系統等領域。本文將詳細介紹LM393的常用電路與原理，包括它的工作原理、應用電路以及設計考慮。

1. LM393比較器概述

LM393是一個雙路比較器IC，具有兩個獨立的比較器，它們的工作原理是根據輸入信號的大小來驅動輸出端的狀態。比較器的輸出狀態只有兩種：高電平（邏輯1）和低電平（邏輯0）。LM393使用開集電極輸出，因此需要外部拉高電阻來產生輸出信號。

LM393的主要特點包括：

• 它有兩個輸入端，分別為非反向輸入（+）和反向輸入（?）。

• 比較器的輸出狀態是基于輸入信號之間的比較結果。

• 輸出是開集電極輸出，通常需要通過外部電阻接入電源。

LM393的輸入端是差分的，即它根據兩個輸入電壓的差來控制輸出。具體來說，當非反向輸入電壓高于反向輸入電壓時，輸出為低電平；當非反向輸入電壓低于反向輸入電壓時，輸出為高電平。

2. LM393工作原理

在比較器中，輸入信號（通常為模擬信號）會與參考電壓進行比較。LM393比較器通過比較輸入端的電壓，決定輸出端的狀態。如果非反向輸入端的電壓高于反向輸入端，輸出將會是低電平；反之，則輸出高電平。

由于LM393是開集電極輸出，它不能直接提供高電平，因此需要通過一個外部電阻將輸出端連接到電源。這樣，輸出端會根據輸入電壓的比較結果，在低電平（0V）和通過拉高電阻到電源的高電平之間切換。

這種工作原理使得LM393非常適合用作電壓比較、窗口比較、過壓/欠壓檢測等應用。

3. LM393常用電路

3.1 比較器電路

最常見的LM393電路是基本的比較器電路。該電路通過輸入電壓與參考電壓之間的比較，來控制輸出信號。

電路原理：將一個輸入信號與參考電壓進行比較。如果輸入信號高于參考電壓，輸出將為低電平（0V），否則輸出為高電平。下面是一個簡單的比較器電路：

電路圖：

在這個電路中，LM393的非反向輸入接入輸入信號Vin，反向輸入接入參考電壓。輸出端通過外部電阻R連接到電源Vcc，輸出端的信號將會根據輸入信號的變化而變化。具體地，當Vin高于參考電壓時，輸出為低電平，反之則為高電平。

3.2 零交叉檢測電路

零交叉檢測電路用于檢測交流信號何時經過零點，通常用于交流電流的測量、整流電路或過電流保護等應用。

電路原理：零交叉檢測電路利用LM393的比較功能來檢測交流信號的過零點。當輸入信號由正變負時，比較器的輸出會發生跳變，從而觸發后續的控制電路。

電路圖：

在這個電路中，AC信號接入LM393的非反向輸入，參考電壓接入反向輸入。當交流信號經過零點時，非反向輸入的電壓會與反向輸入的參考電壓發生比較，輸出信號會產生跳變。這個跳變信號可以用于驅動整流電路或作為控制信號。

3.3 窗口比較器電路

窗口比較器電路是將兩個閾值電壓設置為上下界限，只有當輸入電壓在這個范圍內時，輸出才會為低電平。

電路原理：窗口比較器電路由兩個LM393比較器組成。一個比較器用來設置上限閾值，另一個比較器用來設置下限閾值。當輸入電壓位于兩個閾值之間時，輸出為低電平；當輸入電壓超出這個范圍時，輸出為高電平。

電路圖：

在這個電路中，輸入信號通過R1連接到兩個比較器的輸入端，其中一個設置為上限閾值，另一個設置為下限閾值。只有當輸入信號位于兩個閾值之間時，輸出才為低電平，超出范圍時，輸出為高電平。

3.4 過壓/欠壓檢測電路

過壓或欠壓檢測電路用于監測電源電壓是否超出規定范圍，通常用于電池電壓監測、功率管理和安全保護電路。

電路原理：將參考電壓設置為閾值電壓，輸入電壓與參考電壓比較。當輸入電壓超過或低于參考電壓時，比較器的輸出會發生變化，從而觸發報警或斷電等措施。

電路圖：

在這個電路中，Vin是待檢測的輸入電壓，Vout是輸出信號，當Vin超出設定的閾值時，輸出電平將發生變化，通常用于驅動繼電器或者觸發報警。

3.5 延時電路

通過在LM393比較器輸出端增加RC電路，可以實現延時功能。在輸入信號發生變化后，延時電路可以在一定時間后再輸出結果，這對于某些控制應用（如去抖動、電源管理等）非常有用。

電路原理：將LM393的輸出連接到RC網絡，通過調節電容和電阻的值，可以控制延時的時間。延時電路會在輸入信號變化后，經過一段時間才產生反應。

電路圖：

在這個電路中，輸入信號通過電阻R1接入比較器，輸出信號則通過RC網絡輸出。根據電容C1和電阻R1的值，可以設置延時時間，通常用于去抖動或控制信號的平滑輸出。

4. LM393應用實例

4.1 電池電量監測

LM393可以用于電池電量監測電路。當電池電壓低于設定閾值時，比較器輸出低電平，可以觸發報警或啟動保護電路。通過調整參考電壓，可以設置低電壓警告或關機的閾值。

4.2 電壓調節器保護

在電壓調節器電路中，LM393可用于監測輸出電壓。當輸出電壓超出規定范圍時，比較器的輸出可以控制繼電器或開關，保護電路免受過壓或欠壓損壞。

4.3 自動溫控系統

在自動溫控系統中，LM393可用來比較溫度傳感器的信號與參考值，當溫度超過預定值時，比較器的輸出可以控制風扇或加熱器的工作狀態。

5. LM393設計考慮

在使用LM393設計電路時，需要考慮以下幾個方面：

• 輸入電壓范圍：LM393的輸入電壓范圍通常為0到Vcc，但必須避免輸入電壓超過電源電壓，以防損壞芯片。

• 輸出電流：由于LM393的輸出是開集電極類型，輸出只能驅動較小的電流。對于高電流負載，可能需要外部晶體管或其他電路。

• 響應速度：LM393的響應速度相對較慢，通常用于低頻或直流信號的比較。對于高頻信號，可能需要選擇更高速的比較器或者添加適當的濾波電路來改善性能。

• 參考電壓：選擇合適的參考電壓對于電路的精度至關重要。參考電壓的穩定性直接影響到比較器的準確性。如果參考電壓波動較大，會導致比較器的輸出不準確。

• 外部電阻和拉高電阻的選擇：由于LM393采用開集電極輸出，通常需要外部拉高電阻將輸出引腳拉至電源電壓。拉高電阻的大小應根據所需的輸出電流來選擇，一般來說，拉高電阻的值不應太小，以免消耗過多電流，也不應太大，否則可能影響比較器的響應速度。

• 噪聲抑制：在高精度應用中，可能需要對輸入信號進行濾波，以減少噪聲對比較器輸出的影響。通常，可以使用低通濾波器或其他去噪電路來優化信號質量。

6. 常見應用電路分析

6.1 溫度控制系統

在溫度控制系統中，LM393可以用來檢測溫度傳感器（如熱電偶或熱敏電阻）的信號，并與設定的溫度閾值進行比較。當溫度超過閾值時，比較器的輸出將改變，從而觸發控制器動作，例如打開或關閉加熱器或風扇。

電路示意：

在這個溫控電路中，熱敏電阻（或其他溫度傳感器）提供輸入信號，該信號與參考電壓進行比較。當溫度超過或低于設定范圍時，比較器的輸出將控制加熱或冷卻設備。

6.2 過電流保護電路

LM393廣泛應用于過電流保護電路中。通過將電流檢測電阻與比較器輸入端連接，當電流超過設定的安全值時，比較器輸出會觸發斷電或報警。

電路示意：

在過電流保護電路中，Rcurrent是一個電流檢測電阻，它與電流的大小成正比。當電流超過安全閾值時，通過參考電壓和輸入電流的比較，比較器輸出會發生變化，從而觸發后續的保護動作。

6.3 電池電壓監測

LM393還可以用來監測電池電壓，尤其是在電池供電的設備中。通過設定一個閾值，當電池電壓低于該閾值時，比較器的輸出會觸發報警或關閉設備以保護電池。

電路示意：

在此電路中，Battery是電池電壓輸入，Vout為輸出信號。當電池電壓低于設定的閾值時，比較器輸出的電平變化可以用于控制低電壓報警或斷電保護。

7. 設計注意事項

在設計使用LM393的電路時，還需要注意以下幾點：

• 供電電壓的選擇：LM393的工作電壓范圍通常為2V到36V，或單電源時為±18V。需要根據系統的工作電壓選擇合適的LM393型號，并確保輸入電壓不超過芯片的最大輸入電壓范圍（一般為Vcc）。

• 輸出拉高電阻的選擇：由于LM393的輸出是開集電極輸出，必須通過外部電阻將輸出拉高至電源電壓。通常，拉高電阻的值在幾千歐姆到幾萬歐姆之間，具體值要根據負載電流要求來選擇。如果負載電流較大，拉高電阻值應較小，反之則可以較大。

• 輸入電壓匹配：LM393的輸入電壓必須在芯片的共模輸入范圍內，通常為0V到Vcc-2V之間。如果輸入信號超出此范圍，會導致比較器無法正常工作。因此，在設計電路時，要確保輸入信號在允許范圍內，或使用電平轉換電路來匹配輸入電壓。

• 輸出反向邏輯：由于LM393是開集電極輸出，輸出是反向邏輯的，即輸入信號較高時輸出為低電平，輸入信號較低時輸出為高電平。在某些應用中，可能需要對輸出信號進行反向處理。

8. 總結

LM393作為一款常見的雙路比較器，因其低功耗、開集電極輸出以及多功能性，廣泛應用于各種電子電路中。通過選擇合適的參考電壓和設計合理的外圍電路，可以實現各種功能，例如過壓/欠壓保護、溫度控制、零交叉檢測、自動電池監測等。

在實際應用中，設計者需要特別注意LM393的輸入電壓范圍、輸出特性和外部電阻的選擇，以確保電路的穩定性和可靠性。同時，適當的噪聲抑制和響應速度優化也是設計成功的關鍵。通過合理的設計，LM393可以在各種場合中發揮其獨特的優勢，滿足現代電子系統對精確檢測和控制的需求。