一. 简介

LM393是一种双路电压比较器，具有低输入失调电压、低输入偏置电流和开路集电极输出等特点。它常用于检测和转换模拟信号到逻辑信号。

二. 内部电路结构

理解LM393的效果需要了解其内部结构，内部电路主要分为以下几个部分：

• 输入级（差分放大器）
• 级联放大器
• 开路集电极输出级
• 电流镜
• 参照电压源

下面详细描述每一部分的功能及其效果：

2.1 输入级（差分放大器）

• 这个电路部分包括两个差分输入端（IN+和IN-）。
• 输入信号施加在输入引脚上后，通过差分放大器级放大输入信号的差值。
• 差分输入的设计使得电压比较器能够有效地处理和放大微小的电压差异，同时抑制共模噪声，用于高精度的电压比较。

2.2 级联放大器

• 输入差分信号经过一级或多级放大，进一步提高信号的放大倍数。
• 级联放大器级的设计在确保宽频带的同时，增强了整体放大器的增益。

2.3 开路集电极输出级

• 输出级为开路集电极设计，意味着输出端需要外部上拉电阻与电源连接才能正常工作。
• 这种设计使LM393灵活地与不同逻辑电平的系统接口，提供0或1的数字输出。
• 当输入IN+ > IN-时，输出处于高阻态，需要外部上拉电阻拉高至电源电平；当IN+ < IN-时，输出端被拉低至近似接地电位。

2.4 电流镜

• 内部电流镜电路用于提供稳定的电流源。
• 稳定的电流源有助于输入和放大电路的稳定工作，确保放大器的工作特性不受外部电源电压波动的影响。

2.5 参照电压源

• 内部包含稳定的电压源，用于产生比较器工作所需的基准电压。
• 确保内部电压比较器能够在不同操作环境下保持稳健的性能。

三. LM393的效果和用途

3.1 电压比较

• LM393的核心功能是比较两个输入电压。通过输入级、级联放大器和输出级的协同工作，将输入电压的差值转化为逻辑电平输出。
• 输出始终为低电平或高阻态（由外部上拉电阻决定），具体表现为下面的逻辑：
• • 如果IN+ > IN-，输出为高阻态，通过外部电阻上拉到高电平。
  • 如果IN+ < IN-，输出为低电平（近似接地）。

3.2 低功耗和高性能

• 设计为低输入失调电压和低输入偏置电流，使其在高精度应用中表现出色。
• 低功耗特性适用于电池供电的设备，延长设备的使用寿命。

3.3 开路集电极的灵活性

• 开路集电极输出允许在不同系统电压之间轻松接口，可以用于多种逻辑电平环境。
• 通过选择合适的上拉电阻，可以调整输出电平，实现与外部逻辑电路的兼容。

四·实验数据

仿真如图：仿真采用层次化原理图的方式加上外围电路组合搭建

内部结构图：它由多路电流镜电路，差分电路，共射电路和OC输出级四个部分构成。其中多路电流镜电路构成与电源电压无关的偏置电路，为电路中各部分的晶体管提供必要的偏置电流，可使电路在不同电源电压下稳定工作;差分电路为比较器，其中的四个二极管构成加速电路，提高电路的比较速度;共射电路和OC输出级将差分电路的输出信号进行两次反相放大后，以OC形式输出信号，OC输出级可使电路能够满足后续电路电平的需要。

KiCad原理图如下：

KiCadPCB如下：

PCB实物展示：仔细看可以发现PCB的布局和原理图一样；其次就是电源走线比普通的信号走线会宽一些，因为电源线需要带负载能力强

3·在反相端接入频率为100Hz、电压为5V的正弦波，用示波器观察电路的输入、输出波形，并记录。

仿真记录如下：蓝色为输入的正弦波信号，红色为输出的方波信号

M2K测量数据展示如下：可以看到与仿真结果相差不大：输入为紫色正弦波，输出为橙色方波

我们给的输入信号是一个100HZ，10Vpp值的正弦波

输出是一个100HZ，10Vpp的矩形波

五. 实际应用场景

• 零电平检测器：检测输入信号是否超过某一设定阈值。
• 电平转换器：在不同电平标准之间实现信号转换。
• 窗口比较器：通过一对比较器，检测信号是否在特定范围内。
• 震荡和定时电路：通过外部反馈和RC网络，生成定时脉冲。

六·结论

LM393电压比较器通过内部的差分放大器、级联放大器、开路集电极输出级等电路，实现了对输入电压的精确比较和转换。这些设计使得LM393在各种需要高稳定性、高精度电压检测和转换的应用中表现优异