LM339比較器及其典型應用電路

　　LM339是一款廣泛應用的四路電壓比較器集成電路，以其低功耗、寬電源電壓范圍、兼容TTL/CMOS輸出等優點，在各種電子設計中扮演著重要的角色。它通常用于將模擬信號轉換為數字信號，或者在特定電壓閾值下進行判斷和控制。

　　1. LM339比較器概述

　　LM339由四個獨立的電壓比較器組成，每個比較器都具有一個差分輸入對（反相輸入端IN-和同相輸入端IN+）和一個開漏（Open-Drain）輸出端。開漏輸出意味著輸出端在導通時會拉低到接近地電位，在截止時則呈高阻態，需要外接上拉電阻才能輸出高電平。這種開漏輸出的特性使其可以方便地與不同電壓的TTL/CMOS邏輯電路接口。

　　主要特性：

　　低功耗： 整個芯片的靜態電流非常小，非常適合電池供電或功耗敏感的應用。

　　寬電源電壓范圍： 單電源供電電壓可從2V到36V，雙電源供電電壓可從±1V到±18V。這種寬泛的電壓適應性使其能滿足多種供電需求。

　　兼容TTL/CMOS輸出： 開漏輸出特性使其能夠直接驅動TTL、CMOS以及繼電器、燈泡等負載，而無需額外的電平轉換電路。

　　寬輸入共模電壓范圍： 輸入共模電壓范圍寬，甚至可以包含地電位，這增加了其在低電壓應用中的靈活性。

　　低輸入偏置電流： 較低的輸入偏置電流減小了對輸入信號源的影響。

　　內部過載保護： 輸入端具有內部保護電路，防止輸入電壓過高損壞芯片。

　　LM339的封裝形式常見為DIP-14或SOP-14。其引腳配置包括VCC（電源正極）、GND（地）、四個獨立的比較器輸入端（IN-和IN+）以及四個獨立的比較器輸出端。

　　2. LM339基本工作原理

　　LM339比較器的核心功能是比較兩個輸入電壓的大小。當同相輸入端IN+的電壓高于反相輸入端IN-的電壓時，比較器輸出低電平（接近地電位）；當同相輸入端IN+的電壓低于反相輸入端IN-的電壓時，比較器輸出高阻態。由于是開漏輸出，高阻態需要通過外部上拉電阻R_L才能變為高電平（VCC）。

　　數學表達式：

　　如果 VIN+>VIN?，則 VOUT≈0V (低電平)

　　如果 VIN+<VIN?，則 VOUT 為高阻態 (通過上拉電阻呈高電平 VCC)

　　LM339的內部結構通常由差分輸入級、電平轉換級和輸出級組成。差分輸入級負責比較兩個輸入電壓的微小差異，并將其放大；電平轉換級將放大的信號轉換為適當的電壓范圍；輸出級則是一個開漏晶體管，根據比較結果導通或截止。

　　需要注意的是，LM339是一種非反相比較器，即當同相輸入電壓高于反相輸入電壓時，輸出為低電平；當同相輸入電壓低于反相輸入電壓時，輸出為高電平（通過上拉）。這種特性在設計電路時需要特別留意。如果需要反相輸出，可以通過交換輸入端的連接來實現。

　　3. 典型應用電路

　　LM339在各種電子應用中都有其獨特的身影，下面將詳細介紹幾種典型的應用電路及其設計考量。

　　3.1. 單限電壓比較器

　　單限電壓比較器是最基本的LM339應用。它用于檢測輸入電壓是否超過或低于某個設定的閾值。

　　3.1.1. 上限電壓檢測器

　　電路描述： 將一個固定的參考電壓（VREF）接到反相輸入端（IN-），將待檢測的輸入電壓（VIN）接到同相輸入端（IN+）。輸出端接一個上拉電阻到VCC。

　　工作原理：

　　當 VIN>VREF 時，輸出低電平。

　　當 VIN<VREF 時，輸出高電平（通過上拉電阻）。

　　應用： 常用于過壓保護、電壓閾值報警等。例如，當電池電壓過高時發出警報，或控制充電電路停止充電。

　　3.1.2. 下限電壓檢測器

　　電路描述： 將待檢測的輸入電壓（VIN）接到反相輸入端（IN-），將一個固定的參考電壓（VREF）接到同相輸入端（IN+）。輸出端接一個上拉電阻到VCC。

　　工作原理：

　　當 VIN<VREF 時，輸出低電平。

　　當 VIN>VREF 時，輸出高電平（通過上拉電阻）。

　　應用： 常用于欠壓保護、電壓閾值報警等。例如，當電池電壓過低時斷開負載以保護電池，或指示設備電量不足。

　　設計考量：

　　參考電壓的設置： VREF 可以通過電阻分壓器、穩壓二極管或專用的電壓基準芯片來提供。其穩定性直接影響比較器的精度。

　　上拉電阻的選擇： 上拉電阻的值應根據后級電路的輸入阻抗和所需的輸出電流來選擇。過大的電阻會導致輸出上升沿變慢，過小的電阻會增加功耗。

　　輸入阻抗： LM339的輸入阻抗較高，因此通常不需要考慮信號源的負載效應。

　　抗干擾： 在輸入端和參考電壓端放置小電容（如0.1μF）可以有效濾除高頻噪聲，提高比較的穩定性。

　　3.2. 滯回比較器（史密特觸發器）

　　單純的單限比較器在輸入信號存在噪聲或在閾值附近波動時，輸出會頻繁地跳變，造成“抖動”現象。滯回比較器（或稱史密特觸發器）通過引入正反饋來解決這個問題，使得比較器具有兩個不同的閾值電壓（上升閾值和下降閾值），從而有效抑制噪聲，提高輸出穩定性。

　　3.2.1. 同相滯回比較器

　　電路描述： 在同相輸入端（IN+）和輸出端之間引入一個正反饋電阻R2，同時將反相輸入端（IN-）連接到參考電壓VREF。另一個電阻R1連接輸入信號到同相輸入端。

　　工作原理：

　　上升閾值 (VTHH): 當輸入電壓$V_{IN}$從低電平逐漸升高時，一旦$V_{IN}$達到或超過$V_{THH}$，輸出從高電平（VCC）跳變為低電平（0V）。此時，$V_{THH}$由 VREF 和反饋電阻R1、R2決定。

　　下降閾值 (VTHL): 當輸入電壓$V_{IN}$從高電平逐漸降低時，一旦$V_{IN}$下降到或低于$V_{THL}$，輸出從低電平（0V）跳變為高電平（VCC）。此時，$V_{THL}$也由 VREF 和反饋電阻R1、R2決定。

　　滯回電壓 (VH): 滯回電壓為上升閾值和下降閾值的差值，VH=VTHH?VTHL。這個差值使得比較器在閾值附近有一個“不敏感區域”，有效避免了輸出抖動。

　　3.2.2. 反相滯回比較器

　　電路描述： 將參考電壓$V_{REF}連接到同相輸入端（IN+），輸入信號V_{IN}$通過電阻R1連接到反相輸入端（IN-），同時在輸出端和反相輸入端之間加入正反饋電阻R2。

　　工作原理：

　　當輸入電壓$V_{IN}從低電平逐漸升高時，一旦V_{IN}$達到或超過某個閾值，輸出從低電平跳變為高電平。

　　當輸入電壓$V_{IN}從高電平逐漸降低時，一旦V_{IN}$下降到或低于另一個閾值，輸出從高電平跳變為低電平。

　　應用： 廣泛應用于抗噪聲信號檢測、方波整形、振蕩器等。例如，用于將緩慢變化的模擬信號轉換為清晰的數字脈沖。

　　設計考量：

　　滯回電壓的計算： 滯回電壓的大小由反饋電阻R1和R2以及電源電壓VCC決定。精確計算需要考慮到LM339輸出的低電平接近0V和高電平通過上拉電阻得到VCC。

　　電阻值選擇： 選擇合適的電阻值以保證所需的滯回量，并確保輸入電流在LM339的允許范圍內。

　　避免誤觸發： 滯回比較器雖然能抑制噪聲，但如果噪聲幅度過大，仍可能導致誤觸發。因此，在必要時，輸入信號仍需進行適當的濾波處理。

　　3.3. 窗式比較器（窗口比較器）

　　窗式比較器用于檢測輸入電壓是否落在兩個預設閾值之間。如果輸入電壓在“窗口”內，則輸出一個狀態；如果超出“窗口”，則輸出另一種狀態。

　　電路描述： 通常使用兩個LM339比較器來實現。一個比較器用于檢測上限閾值，另一個用于檢測下限閾值。兩個比較器的輸出通過邏輯門（如AND門）或直接連接到單個上拉電阻來共同驅動一個輸出。

　　將$V_{IN}$連接到第一個比較器（U1）的IN+和第二個比較器（U2）的IN-。

　　將上限參考電壓$V_{THH}$連接到U1的IN-。

　　將下限參考電壓$V_{THL}$連接到U2的IN+。

　　U1和U2的輸出端都接一個共同的上拉電阻，然后連接到最終的輸出端。

　　工作原理：

　　當 VTHL<VIN<VTHH 時（輸入電壓在窗口內），U1的輸出為高阻態（IN+ < IN-），U2的輸出也為高阻態（IN- >IN+），此時通過共同的上拉電阻，最終輸出高電平。

　　當 VININ-，U2輸出低電平，最終輸出為低電平。

　　當 VIN>VTHH 時（輸入電壓高于上限），U1的IN+ > IN-，U1輸出低電平，最終輸出為低電平。

　　應用： 廣泛應用于電源電壓監控、電池充電狀態指示、模擬信號電平檢測等。例如，在電池充電器中，檢測電池電壓是否處于安全充電范圍內。

　　設計考量：

　　閾值電壓的設置： VTHH 和 VTHL 的設置至關重要，它們決定了窗口的寬度。通常通過精密電阻分壓器來設置。

　　輸出邏輯： 根據應用需求，可以選擇不同的輸出組合方式。如果需要“在窗口內輸出低電平，否則高電平”，則可以調整比較器的輸入連接或增加反相器。

　　精度和穩定性： 為了確保窗口比較器的精度，需要使用高精度的參考電壓源和低溫度系數的電阻。

　　3.4. 振蕩器和波形發生器

　　LM339也可以用于構建各種振蕩電路，如方波發生器、多諧振蕩器等。

　　3.4.1. 方波發生器（非穩態多諧振蕩器）

　　電路描述： 利用LM339的一個比較器，結合RC充放電電路和正反饋。通常將一個電阻R和電容C串聯，電容兩端電壓作為比較器的輸入，同時通過反饋電阻將輸出反饋到輸入端。

　　工作原理：

　　電路通電后，電容開始充電。當電容電壓達到一個閾值時，比較器翻轉，輸出電平改變。

　　輸出電平的改變導致電容開始反向充電或放電。當電容電壓達到另一個閾值時，比較器再次翻轉。

　　這個過程周而復始，形成周期性的方波輸出。

　　頻率計算： 振蕩頻率取決于R和C的值以及比較器的滯回特性。

　　3.4.2. 三角波發生器

　　電路描述： 三角波發生器通常由一個方波發生器（使用LM339）和一個積分器（使用運算放大器）組成。方波發生器的輸出作為積分器的輸入，積分器將方波積分成三角波。

　　工作原理： 方波的高電平使積分器輸出線性上升，低電平使積分器輸出線性下降，從而產生三角波。

　　設計考量：

　　RC參數選擇： 準確選擇R和C的值以獲得所需的振蕩頻率和占空比。

　　電源穩定性： 穩定的電源對振蕩器的頻率穩定性和波形質量至關重要。

　　輸出負載： 振蕩器的輸出通常需要驅動其他電路，因此需要考慮LM339的輸出驅動能力和上拉電阻的選擇。

　　3.5. 延時電路

　　LM339可以與RC充放電網絡結合，實現簡單的延時功能。

　　電路描述： 一個電阻R和一個電容C串聯，當輸入信號觸發時，電容開始充放電。LM339比較器監測電容上的電壓，當電容電壓達到或低于設定閾值時，比較器翻轉，產生延時后的輸出。

　　工作原理：

　　例如，在延時開啟電路中，當輸入信號變為高電平，電容開始充電。當電容電壓充到LM339的閾值時，輸出才翻轉，實現延時開啟。

　　在延時關閉電路中，當輸入信號變為低電平，電容開始放電。當電容電壓放電到LM339的閾值時，輸出才翻轉，實現延時關閉。

　　應用： 廣泛應用于電源時序控制、按鍵消抖、自動化設備中的時間延遲等。

　　設計考量：

　　RC常數： 延時時間主要由RC時間常數決定。

　　閾值電壓： LM339的閾值設置影響延時時間的精度。

　　復位機制： 對于可重復觸發的延時電路，需要設計合適的復位機制以保證下次觸發的準確性。

　　3.6. 電池電壓檢測與監控

　　LM339常用于電池供電設備中，進行電池電壓的實時監控。

　　電路描述： 通過電阻分壓器將電池電壓降壓到LM339的輸入共模電壓范圍內，然后與一個參考電壓進行比較。可以設計成單限檢測（低電壓報警/高電壓報警）或窗式檢測（在正常電壓范圍內）。

　　工作原理：

　　例如，設計一個低電量報警電路。當電池電壓下降到預設閾值以下時，比較器輸出低電平，驅動一個LED或蜂鳴器進行報警。

　　對于更復雜的應用，可以利用多個LM339比較器來創建多個電壓閾值，以指示電池的不同電量狀態（如低電量、中等電量、滿電）。

　　應用： 手機、便攜式設備、電動工具、不間斷電源（UPS）等。

　　設計考量：

　　分壓電阻的精度： 為了準確測量電池電壓，分壓電阻應選擇高精度、低溫度系數的電阻。

　　參考電壓的穩定性： 穩定的參考電壓源是保證電池電壓檢測精度的關鍵。

　　滯回設計： 對于電池電量指示，通常會引入一定的滯回，防止在閾值附近反復跳變。

　　3.7. 光控開關與暗/亮檢測

　　LM339可以與光敏電阻（LDR）或其他光敏傳感器配合，實現光控開關功能。

　　電路描述： 將光敏電阻與一個固定電阻串聯，構成一個分壓器，光敏電阻的阻值隨光照強度變化。LM339比較器監測分壓點電壓，與參考電壓進行比較。

　　工作原理：

　　暗檢測（光弱時開啟）： 當光照減弱時，光敏電阻阻值增大，分壓點電壓變化，達到閾值時觸發比較器翻轉，開啟負載（如路燈）。

　　亮檢測（光強時開啟）： 當光照增強時，光敏電阻阻值減小，分壓點電壓變化，達到閾值時觸發比較器翻轉，開啟負載（如自動窗簾）。

　　應用： 自動路燈、感應燈、光控報警器、自動窗簾等。

　　設計考量：

　　光敏電阻的特性： 了解光敏電阻的阻值與光照強度之間的關系，以便選擇合適的固定電阻和閾值電壓。

　　環境光線變化： 考慮環境光線的波動，可能需要引入滯回以避免誤觸發。

　　負載驅動能力： LM339的輸出直接驅動能力有限，對于大電流負載，需要通過繼電器或晶體管進行驅動。

　　4. LM339應用設計中的通用注意事項

　　在設計基于LM339的電路時，除了上述特定應用的考量，還有一些通用的注意事項需要遵循，以確保電路的穩定性和可靠性。

　　4.1. 電源去耦

　　在LM339的電源引腳（VCC和GND）附近放置一個0.1μF的陶瓷電容器（去耦電容）可以有效濾除電源線上的高頻噪聲，防止其干擾比較器的正常工作。這個電容應盡可能靠近芯片引腳放置。

　　4.2. 輸入保護

　　雖然LM339具有一定的輸入過載保護，但在某些極端情況下（例如輸入電壓遠超電源電壓或輸入端有大電流沖擊），仍可能損壞芯片。可以在輸入端串聯一個限流電阻，并在輸入與地之間并聯一個肖特基二極管或齊納二極管，以提供額外的過壓保護。

　　4.3. 上拉電阻的選擇

　　開漏輸出需要上拉電阻才能輸出高電平。上拉電阻的選擇需要平衡功耗、輸出上升時間以及對后續電路的驅動能力。

　　功耗： 上拉電阻值越小，當輸出低電平（接近0V）時，流過電阻的電流越大，功耗越高。

　　上升時間： 輸出上升時間取決于上拉電阻和輸出端寄生電容的RC時間常數。電阻越大，上升時間越長，這在高速應用中可能是一個問題。

　　驅動能力： 如果需要驅動外部負載，上拉電阻必須足夠小，以提供足夠的電流。通常，上拉電阻的值在1kΩ到100kΩ之間，具體取決于應用。

　　4.4. 避免輸入端懸空

　　LM339的未使用的輸入端不應懸空。懸空的輸入端容易受到噪聲干擾，導致比較器輸出不穩定。建議將未使用的輸入端連接到VCC、GND或某個固定的參考電壓。例如，如果反相輸入端未使用，可以將其連接到同相輸入端，并將同相輸入端連接到地或VCC。

　　4.5. 差分輸入偏差

　　LM339具有較小的輸入失調電壓和偏置電流，但在精密應用中仍需考慮。輸入失調電壓會導致比較閾值與理論值之間存在微小偏差。輸入偏置電流流過輸入電阻時會產生額外的電壓降，影響比較精度。可以通過選擇低失調電壓和偏置電流的比較器或進行校準來補償。

　　4.6. PCB布局

　　良好的PCB布局對于高性能的比較器電路至關重要。

　　地線布局： 確保有良好的地線平面，盡量縮短信號線和電源線的長度。

　　噪聲源隔離： 將模擬輸入信號路徑與數字輸出信號路徑分開，避免相互干擾。

　　去耦電容靠近芯片： 將去耦電容放置在VCC和GND引腳附近，以最大限度地發揮其濾波作用。

　　4.7. 溫度影響

　　LM339的參數（如輸入失調電壓、偏置電流）會隨溫度變化。在寬溫度范圍工作的應用中，需要考慮這些參數的變化對電路性能的影響，并可能需要進行溫度補償或選擇工業級/軍用級芯片。

　　5. 結語

　　LM339作為一款經典且多功能的四路電壓比較器，憑借其卓越的性能和靈活性，在各種電子設計中占據著不可或缺的地位。從簡單的電壓檢測到復雜的波形發生器和控制系統，LM339的應用范圍非常廣泛。理解其基本工作原理、開漏輸出特性以及各種典型應用電路的設計考量，是成功利用LM339進行電子設計的關鍵。

　　在實際應用中，工程師需要根據具體的需求，綜合考慮電源、負載、精度、抗干擾和成本等因素，選擇合適的電路拓撲和元器件參數。通過深入理解LM339的特性并遵循良好的設計實踐，可以構建出穩定、可靠且高效的電子系統。希望這份詳細的介紹能幫助您更好地理解和應用LM339比較器。