深入剖析LM393B、LM2903B等双路比较器：特性、应用与设计要点

在电子设计领域，比较器是一种常见且重要的器件，它能够对输入信号进行比较，并输出相应的逻辑电平。今天，我们就来深入探讨一下LM393B、LM2903B等一系列双路比较器，了解它们的特性、应用场景以及设计过程中的关键要点。

文件下载：lm2903.pdf

一、特性亮点

1. 全新B版本的改进

LM393B和LM2903B作为业界通用LM393和LM2903比较器系列的下一代版本，在性能上有了显著提升。B版本改进了规格，最大额定值高达38V，ESD等级（HBM）达到2kV，这使得器件在面对静电放电等情况时更加可靠。同时，它还具有低输入失调电压（0.37mV）、低输入偏置电流（3.5nA）和低电源电流（每个比较器200µA）的特点，能够有效降低功耗，提高电路的稳定性。此外，更短的响应时间（1µs）让比较器能够更快地对输入信号做出响应，满足高速应用的需求。

2. 广泛的兼容性

B版本可直接取代LM293、LM393和LM2903的A和V版本，这为工程师在进行产品升级或替换时提供了便利。而且，该系列比较器的共模输入电压范围包括接地，差分输入电压范围等于最大额定电源电压（±38V），低输出饱和电压，输出与TTL、MOS和CMOS兼容，能够与多种类型的电路进行配合，具有很强的通用性。

二、应用领域

这些双路比较器具有非常宽的电源电压范围、低Iq和快速响应的特点，因此在众多领域都有广泛的应用。

1. 智能家居与工业自动化

在扫地机器人、楼宇自动化和工厂自动化与控制等应用中，比较器可以用于将单个信号与基准信号进行比较，或者将两个信号相互比较，从而实现对设备的精确控制。例如，在扫地机器人中，比较器可以用于检测传感器信号，判断机器人是否遇到障碍物，进而调整运动方向。

2. 电力系统

在单相UPS和服务器PSU等电力系统中，比较器可以用于监测电压、电流等参数，确保系统的稳定运行。当电压或电流超出设定范围时，比较器可以输出相应的信号，触发保护机制，避免设备损坏。

3. 其他领域

此外，这些比较器还可以应用于无绳电动工具、无线基础设施、电器、电机驱动器、信息娱乐系统与仪表组等领域，为各种电子设备提供可靠的信号比较功能。

三、器件详细说明

1. 工作原理

该比较器包含一个PNP达林顿对输入，能够获得非常高的增益，快速响应且在最小的输入偏置电流下运行。输入达林顿对限制了输入共模电压能力，使比较器在接地至(V_{CC}-2V)的过温条件下准确运行。输出包含一个开漏NPN（下拉或低侧）晶体管，当负输入电压高于正输入电压和失调电压时，输出NPN会灌入电流。

2. 引脚配置

不同封装的引脚配置有所不同，但基本功能是一致的。以常见的8引脚封装为例，主要引脚包括比较器1和2的输入引脚（1IN -、1IN +、2IN -、2IN +）、输出引脚（1OUT、2OUT）、接地引脚（GND）和正电源引脚（(V_{CC})）。在使用时，需要将散热焊盘直接连接到GND引脚，以确保器件的散热性能。

四、设计过程中的关键要点

1. 输入电压范围

在选择输入电压范围时，必须将输入共模电压范围((V{ICR}))考虑在内。如果温度低于25°C，则(V{ICR}=V{CC}-2.0V)，这样将输入电压范围限制为最高(V{CC}-2.0V)，最低0V。超出此范围的操作可能会导致比较出错。不同输入电压情况及其输出如下：

• 当IN - 和IN + 都处于共模范围内时：
  • 如果IN - 高于IN + 和失调电压，则输出为低电平，而且输出晶体管会灌入电流。
  • 如果IN - 低于IN + 和失调电压，则输出为高阻抗，输出晶体管不导通。
• 当IN - 高于共模且IN + 处于共模范围内时，输出为低电平，输出晶体管灌入电流。
• 当IN + 高于共模且IN - 处于共模范围内时，输出为高阻抗，输出晶体管不导通。
• 当IN - 和IN + 都高于共模时，需参阅LM339、LM393、TL331系列比较器（包括全新B版本）应用设计指南的第2部分。

2. 最小过驱电压

过驱电压是在失调电压((V{IO}))上比较器正负输入之间产生的差分电压。若要进行准确的比较，过驱电压((V{OD}))必须高于输入失调电压((V_{IO}))。过驱电压还可以决定比较器的响应时间，响应时间随着过驱的增加而缩短。

3. 输出和驱动电流

输出电流由负载/上拉电阻和逻辑/上拉电压决定。输出电流从比较器中产生输出低电压((V{OL}))，其中(V{OL})与输出电流成正比。可以参阅LMx93x和LM2903x的典型特性部分的输出低电平与灌电流间的关系图，按照输出电流确定(V_{OL})。输出电流也会影响瞬态响应。

4. 响应时间

响应时间是输入过驱的函数。上升和下降时间可以由负载电容((C{L}))、负载/上拉电阻((R{PULLUP}))和等效集电极 - 发射极电阻((R_{CE}))确定。

• 上升时间((tau{R}))约为(tau{R}=R{PULLUP}×C{L})。
• 下降时间((tau{F}))约为(tau{F}=R{CE}×C{L})。 (R{CE})可通过在所需温度下从图5 - 20获得线性区域的斜率或者将(V{OL})除以(I_{out})来确定。

五、电源与布局建议

1. 电源相关建议

对于具有噪声或交流输入的快速响应和比较应用，建议在电源引脚上使用旁路电容器来抑制电源电压的任何变化。这种变化会侵蚀比较器的输入共模范围，并产生不准确的比较结果。

2. 布局指南

在没有迟滞的精确比较器应用中，务必保持电源稳定，并将噪声和短时脉冲波干扰降至最低。最佳做法是在电源电压和接地之间添加一个旁路电容器。尽量减少输出和反相输入之间的耦合，以防止输出振荡。向输入端添加串联电阻时，将电阻器放在靠近器件的位置。

六、总结

LM393B、LM2903B等双路比较器凭借其出色的性能和广泛的应用领域，成为电子工程师在设计中常用的器件之一。在使用过程中，我们需要充分了解其特性、应用场景以及设计要点，合理选择输入电压范围、过驱电压、输出和驱动电流等参数，同时注意电源和布局的设计，以确保电路的稳定运行和精确比较。希望通过本文的介绍，能够帮助大家更好地理解和应用这些比较器，为电子设计工作带来更多的便利和创新。你在使用这些比较器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。