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(yīng)用于電路設(shè)計(jì)中，特別是在信號(hào)處理、閾值檢測(cè)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。本文將詳細(xì)介紹LM393的常用電路與原理，包括它的工作原理、應(yīng)用電路以及設(shè)計(jì)考慮。

1. LM393比較器概述

LM393是一個(gè)雙路比較器IC，具有兩個(gè)獨(dú)立的比較器，它們的工作原理是根據(jù)輸入信號(hào)的大小來驅(qū)動(dòng)輸出端的狀態(tài)。比較器的輸出狀態(tài)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(chǎn)生輸出信號(hào)。

LM393的主要特點(diǎn)包括：

• 它有兩個(gè)輸入端，分別為非反向輸入（+）和反向輸入（?）。

• 比較器的輸出狀態(tài)是基于輸入信號(hào)之間的比較結(jié)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(jù)兩個(gè)輸入電壓的差來控制輸出。具體來說，當(dāng)非反向輸入電壓高于反向輸入電壓時(shí)，輸出為低電平；當(dāng)非反向輸入電壓低于反向輸入電壓時(shí)，輸出為高電平。

2. LM393工作原理

在比較器中，輸入信號(hào)（通常為模擬信號(hào)）會(huì)與參考電壓進(jìn)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(tài)。如果非反向輸入端的電壓高于反向輸入端，輸出將會(huì)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(gè)外部電阻將輸出端連接到電源。這樣，輸出端會(huì)根據(jù)輸入電壓的比較結(jié)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(cè)等應(yīng)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(hào)。

電路原理：將一個(gè)輸入信號(hào)與參考電壓進(jìn)行比較。如果輸入信號(hào)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(gè)簡(jiǎn)單的比較器電路：

電路圖：

在這個(gè)電路中，LM393的非反向輸入接入輸入信號(hào)Vin，反向輸入接入?yún)⒖茧妷?。輸出端通過外部電阻R連接到電源Vcc，輸出端的信號(hào)將會(huì)根據(jù)輸入信號(hào)的變化而變化。具體地，當(dāng)Vin高于參考電壓時(shí)，輸出為低電平，反之則為高電平。

3.2 零交叉檢測(cè)電路

零交叉檢測(cè)電路用于檢測(cè)交流信號(hào)何時(shí)經(jīng)過零點(diǎn)，通常用于交流電流的測(cè)量、整流電路或過電流保護(hù)等應(yīng)用。

電路原理：零交叉檢測(cè)電路利用LM393的比較功能來檢測(cè)交流信號(hào)的過零點(diǎn)。當(dāng)輸入信號(hào)由正變負(fù)時(shí)，比較器的輸出會(huì)發(fā)生跳變，從而觸發(fā)后續(xù)的控制電路。

電路圖：

在這個(gè)電路中，AC信號(hào)接入LM393的非反向輸入，參考電壓接入反向輸入。當(dāng)交流信號(hào)經(jīng)過零點(diǎn)時(shí)，非反向輸入的電壓會(huì)與反向輸入的參考電壓發(fā)生比較，輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生跳變。這個(gè)跳變信號(hào)可以用于驅(qū)動(dòng)整流電路或作為控制信號(hào)。

3.3 窗口比較器電路

窗口比較器電路是將兩個(gè)閾值電壓設(shè)置為上下界限，只有當(dāng)輸入電壓在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，輸出才會(huì)為低電平。

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

電路圖：

在這個(gè)電路中，輸入信號(hào)通過R1連接到兩個(gè)比較器的輸入端，其中一個(gè)設(shè)置為上限閾值，另一個(gè)設(shè)置為下限閾值。只有當(dāng)輸入信號(hào)位于兩個(gè)閾值之間時(shí)，輸出才為低電平，超出范圍時(shí)，輸出為高電平。

3.4 過壓/欠壓檢測(cè)電路

過壓或欠壓檢測(cè)電路用于監(jiān)測(cè)電源電壓是否超出規(guī)定范圍，通常用于電池電壓監(jiān)測(cè)、功率管理和安全保護(hù)電路。

電路原理：將參考電壓設(shè)置為閾值電壓，輸入電壓與參考電壓比較。當(dāng)輸入電壓超過或低于參考電壓時(shí)，比較器的輸出會(huì)發(fā)生變化，從而觸發(fā)報(bào)警或斷電等措施。

電路圖：

在這個(gè)電路中，Vin是待檢測(cè)的輸入電壓，Vout是輸出信號(hào)，當(dāng)Vin超出設(shè)定的閾值時(shí)，輸出電平將發(fā)生變化，通常用于驅(qū)動(dòng)繼電器或者觸發(fā)報(bào)警。

3.5 延時(shí)電路

通過在LM393比較器輸出端增加RC電路，可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能。在輸入信號(hào)發(fā)生變化后，延時(shí)電路可以在一定時(shí)間后再輸出結(jié)果，這對(duì)于某些控制應(yīng)用（如去抖動(dòng)、電源管理等）非常有用。

電路原理：將LM393的輸出連接到RC網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)節(jié)電容和電阻的值，可以控制延時(shí)的時(shí)間。延時(shí)電路會(huì)在輸入信號(hào)變化后，經(jīng)過一段時(shí)間才產(chǎn)生反應(yīng)。

電路圖：

在這個(gè)電路中，輸入信號(hào)通過電阻R1接入比較器，輸出信號(hào)則通過RC網(wǎng)絡(luò)輸出。根據(jù)電容C1和電阻R1的值，可以設(shè)置延時(shí)時(shí)間，通常用于去抖動(dòng)或控制信號(hào)的平滑輸出。

4. LM393應(yīng)用實(shí)例

4.1 電池電量監(jiān)測(cè)

LM393可以用于電池電量監(jiān)測(cè)電路。當(dāng)電池電壓低于設(shè)定閾值時(shí)，比較器輸出低電平，可以觸發(fā)報(bào)警或啟動(dòng)保護(hù)電路。通過調(diào)整參考電壓，可以設(shè)置低電壓警告或關(guān)機(jī)的閾值。

4.2 電壓調(diào)節(jié)器保護(hù)

在電壓調(diào)節(jié)器電路中，LM393可用于監(jiān)測(cè)輸出電壓。當(dāng)輸出電壓超出規(guī)定范圍時(shí)，比較器的輸出可以控制繼電器或開關(guān)，保護(hù)電路免受過壓或欠壓損壞。

4.3 自動(dòng)溫控系統(tǒng)

在自動(dòng)溫控系統(tǒng)中，LM393可用來比較溫度傳感器的信號(hào)與參考值，當(dāng)溫度超過預(yù)定值時(shí)，比較器的輸出可以控制風(fēng)扇或加熱器的工作狀態(tài)。

5. LM393設(shè)計(jì)考慮

在使用LM393設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)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(qū)動(dòng)較小的電流。對(duì)于高電流負(fù)載，可能需要外部晶體管或其他電路。

• 響應(yīng)速度：LM393的響應(yīng)速度相對(duì)較慢，通常用于低頻或直流信號(hào)的比較。對(duì)于高頻信號(hào)，可能需要選擇更高速的比較器或者添加適當(dāng)?shù)臑V波電路來改善性能。

• 參考電壓：選擇合適的參考電壓對(duì)于電路的精度至關(guān)重要。參考電壓的穩(wěn)定性直接影響到比較器的準(zhǔn)確性。如果參考電壓波動(dòng)較大，會(huì)導(dǎo)致比較器的輸出不準(zhǔn)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(yīng)根據(jù)所需的輸出電流來選擇，一般來說，拉高電阻的值不應(yīng)太小，以免消耗過多電流，也不應(yīng)太大，否則可能影響比較器的響應(yīng)速度。

• 噪聲抑制：在高精度應(yīng)用中，可能需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，以減少噪聲對(duì)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(yōu)化信號(hào)質(zhì)量。

6. 常見應(yīng)用電路分析

6.1 溫度控制系統(tǒng)

在溫度控制系統(tǒng)中，LM393可以用來檢測(cè)溫度傳感器（如熱電偶或熱敏電阻）的信號(hào)，并與設(shè)定的溫度閾值進(jìn)行比較。當(dāng)溫度超過閾值時(shí)，比較器的輸出將改變，從而觸發(fā)控制器動(dòng)作，例如打開或關(guān)閉加熱器或風(fēng)扇。

電路示意：

在這個(gè)溫控電路中，熱敏電阻（或其他溫度傳感器）提供輸入信號(hào)，該信號(hào)與參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)溫度超過或低于設(shè)定范圍時(shí)，比較器的輸出將控制加熱或冷卻設(shè)備。

6.2 過電流保護(hù)電路

LM393廣泛應(yīng)用于過電流保護(hù)電路中。通過將電流檢測(cè)電阻與比較器輸入端連接，當(dāng)電流超過設(shè)定的安全值時(shí)，比較器輸出會(huì)觸發(fā)斷電或報(bào)警。

電路示意：

在過電流保護(hù)電路中，Rcurrent是一個(gè)電流檢測(cè)電阻，它與電流的大小成正比。當(dāng)電流超過安全閾值時(shí)，通過參考電壓和輸入電流的比較，比較器輸出會(huì)發(fā)生變化，從而觸發(fā)后續(xù)的保護(hù)動(dòng)作。

6.3 電池電壓監(jiān)測(cè)

LM393還可以用來監(jiān)測(cè)電池電壓，尤其是在電池供電的設(shè)備中。通過設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)電池電壓低于該閾值時(shí)，比較器的輸出會(huì)觸發(fā)報(bào)警或關(guān)閉設(shè)備以保護(hù)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(hào)。當(dāng)電池電壓低于設(shè)定的閾值時(shí)，比較器輸出的電平變化可以用于控制低電壓報(bào)警或斷電保護(hù)。

7. 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)使用LM393的電路時(shí)，還需要注意以下幾點(diǎn)：

• 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(shí)為±18V。需要根據(jù)系統(tǒng)的工作電壓選擇合適的LM393型號(hào)，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(wàn)歐姆之間，具體值要根據(jù)負(fù)載電流要求來選擇。如果負(fù)載電流較大，拉高電阻值應(yīng)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(nèi)，通常為0V到Vcc-2V之間。如果輸入信號(hào)超出此范圍，會(huì)導(dǎo)致比較器無(wú)法正常工作。因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要確保輸入信號(hào)在允許范圍內(nèi)，或使用電平轉(zhuǎn)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(hào)較高時(shí)輸出為低電平，輸入信號(hào)較低時(shí)輸出為高電平。在某些應(yīng)用中，可能需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行反向處理。

8. 總結(jié)

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(yīng)用于各種電子電路中。通過選擇合適的參考電壓和設(shè)計(jì)合理的外圍電路，可以實(shí)現(xiàn)各種功能，例如過壓/欠壓保護(hù)、溫度控制、零交叉檢測(cè)、自動(dòng)電池監(jiān)測(cè)等。

在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)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(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，適當(dāng)?shù)脑肼曇种坪晚憫?yīng)速度優(yōu)化也是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。通過合理的設(shè)計(jì)，LM393可以在各種場(chǎng)合中發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)對(duì)精確檢測(cè)和控制的需求。