Designanalyse des Hochpräzisionskomparators LM193DR

^{18. Oktober 2025 — Vor dem Hintergrund der zunehmenden Komplexität in der industriellen Automatisierung und elektronischen Systemen für Kraftfahrzeuge gibt es erhöhte Anforderungen an die Umweltverträglichkeit und Betriebsstabilität von Schlüsselkomponenten der Signalverarbeitung. Als eine der Lösungen für Anwendungen in rauen Umgebungen bietet der duale Spannungskomparator LM193DR mit seinem erweiterten industriellen Temperaturbereich von -55 °C bis +125 °C und einer Eingangs-Offsetspannung von nur ±1 mV (typisch) zuverlässige Spannungserkennung und Signalvergleichsmöglichkeiten für die Luft- und Raumfahrt, Automobilmotorantriebe und hochpräzise industrielle Sensorsysteme.}

 

 

^{I. Chip-Einführung}

 

^{Der LM193DR ist ein monolithischer integrierter Schaltkreis, der zwei unabhängige Präzisionsspannungskomparatoren integriert. Dieses in einem SOIC-8-Gehäuse untergebrachte Gerät zeichnet sich durch geringe Leistungsaufnahme, hohe Genauigkeit und einen extrem weiten Betriebstemperaturbereich aus, während es gleichzeitig direkt mit TTL-, CMOS- und MOS-Logikschnittstellen kompatibel ist.}

 

^{Kernmerkmale und Vorteile:}

^{Extrem weiter Temperaturbereich: Voller Betrieb von -55 °C bis +125 °C}

^{Geringe Eingangs-Offsetspannung: Typischerweise ±1 mV, maximal ±2 mV}

^{Geringer Eingangsruhestrom: Typischerweise 25 nA}

^{Großer Betriebsspannungsbereich: Einzelversorgung 2 V bis 36 V}

^{Low-Power-Design: Ruhestrom ca. 0,8 mA pro Komparator}

 

^{Typische Anwendungsbereiche:}

^{Luft- und Raumfahrt-Steuerungssysteme}

^{Elektronische Steuergeräte (ECUs) für Kraftfahrzeuge}

^{Industrielle Prozessleittechnik}

^{Hochpräzise Sensorschnittstellen}

 

 

II. Funktionsblockdiagrammanalyse des Einzelkomparators

 

^{Übersicht über die Kernarchitektur
Der LM193DR verwendet eine klassische Bipolartransistorarchitektur, wobei jeder Komparator aus einer kompletten Differenzeingangsstufe, einer Verstärkerstufe und einer Ausgangsstufe besteht, wodurch eine stabile Vergleichsgenauigkeit über einen weiten Temperaturbereich gewährleistet wird.}

 

 

 

^{Analyse der wichtigsten Funktionsmodule}

^{1. Differenzverstärker-Eingangsstufe}

^{Kernstruktur: Q1 und Q2 bilden ein PNP-Differenzeingangspaar}

^{Bias-Design: Q15 bildet eine Konstantstromquelle und liefert einen stabilen Betriebsstrom}

^{Schutzmechanismen:}

^{D3 und D4 implementieren einen Eingangs-Clamp-Schutz}

^{Gleichtaktspannungsbegrenzungsschaltung}

 

^{Leistungsmerkmale:}

^{Eingangsruhestrom: Typischerweise 25 nA}

^{Eingangs-Offsetspannung: Typischerweise ±1 mV}

^{Der Gleichtakteingangsbereich umfasst das Erdungspotenzial}

 

^{2. Bias- und Referenznetzwerk}

^{Stromspiegelstruktur: Q9-Q12 und Q14 bilden eine Präzisions-Bias-Schaltung}

^{Temperaturkompensation: Eingebaute Kompensation sorgt für Stabilität über den gesamten Temperaturbereich}

^{Pegelverschiebung: D1 und D2 liefern stabile Spannungsreferenzen}

 

^{3. Zwischenverstärkerstufe}

^{Verstärkerschaltung: Q3, Q4 usw. bilden eine Emitter-Basisschaltung}

^{Funktionale Implementierung:}

^{Bietet primäre Spannungsverstärkung}

^{Wandelt Differenz- in unsymmetrische Signale um}

^{Steuert den Betrieb der Ausgangsstufe}

 

^{4. Ausgangstreiberstufe}

^{Ausgangsstruktur: Open-Collector-Ausgangsdesign}

^{Kernkomponente: Q13 dient als Ausgangstreibertransistor}

^{Schutzschaltung: Integrierter ESD-Schutz}

^{Hauptmerkmale:}

^{Ausgangssättigungsspannung: Typischerweise 130 mV}

^{Kompatibel mit TTL/CMOS-Logikpegeln}

^{Benötigt einen externen Pull-up-Widerstand}

 

^{Signalleitungsanalyse}

^{Nichtinvertierender Eingang → Q2 → Pegelverschiebung → Verstärkerstufe → Ausgangstreiber Invertierender Eingang → Q1 → Pegelverschiebung → Verstärkerstufe → Ausgangstreiber}

 

^{Wichtige Leistungsparameter}

^{Präzisionsmerkmale}

^{Spannungsverstärkung: Typischerweise 200 V/mV}

^{Ansprechzeit: 1,3 μs (Vcc=5V)}

^{Gleichtakteingangsbereich: 0 V bis Vcc-1,5 V}

 

^{Zuverlässigkeitsmerkmale}

^{Betriebstemperatur: -55℃ bis +125℃}

^{ESD-Schutz: >2000 V}

^{Langzeitstabilität:<0,5 μV/Monat}

 

^{Zusammenfassung der Designvorteile}

^{Diese Architektur verkörpert die Designphilosophie hochzuverlässiger analoger integrierter Schaltungen:}

^{Umweltverträglichkeit: Behält stabile Leistung über weite Temperaturbereiche bei}

^{Präzisionssicherung: Ausgeklügeltes Bias- und Kompensationsdesign}

^{Systemkompatibilität: Flexible Schnittstellen- und Ausgangskonfiguration}

^{Zuverlässiger Betrieb: Umfassende eingebaute Schutzmechanismen}

 

^{Dieses Funktionsblockdiagramm bietet die technische Grundlage für das Verständnis der Funktionsweise des LM193DR in extremen Umgebungen und eignet sich besonders für die Designverifizierung in hochzuverlässigen Anwendungsszenarien wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilelektronik.}

 

 

III. PCB-Layout-Design-Leitfaden

 

Pin-Konfiguration und Funktionsanalyse

 

 

 

^{Details zur Pin-Funktion:}

^{Pin 1 (1OUT): Komparator A-Ausgang
Open-Collector-Ausgang, erfordert einen externen Pull-up-Widerstand}

^{Pin 2 (1IN-): Komparator A Invertierender Eingang}

^{Pin 3 (1IN+): Komparator A Nichtinvertierender Eingang}

^{Pin 4 (GND): Erdungsanschluss}

^{Pin 5 (2IN+): Komparator B Nichtinvertierender Eingang}

^{Pin 6 (2IN-): Komparator B Invertierender Eingang}

^{Pin 7 (2OUT): Komparator B-Ausgang}

^{Pin 8 (Vcc): Positive Versorgung (2 V bis 36 V)}

 

^{Kernpunkte des PCB-Layouts}

^{Eingangssignalverarbeitung}

^{Eingangswiderstände nahe am Bauteil platzieren: Abstand innerhalb von 2 mm kontrollieren}

^{Symmetrisches Layout: Differenzsignale verwenden ein Design mit gleich langen Leiterbahnen}

^{Abschirmungsschutz: Empfindliche Eingangssignale werden von Erdungsbahnen umgeben}

 

^{Design der Stromversorgungsentkopplung}

^{Entkopplungskondensatoren platzieren <3 mm von den Pins entfernt}

^{Breite der Stromversorgungsleiterbahn ≥0,5 mm}

^{Zonen-Layout-Strategie}

 

^{1. Eingangssignalzone}

^{Eingangsfilterkomponenten neben den entsprechenden Pins}

^{Parallele Führung von Eingangs- und Ausgangsleitungen vermeiden}

^{Hochfrequenzsignale mit Erdungsebenen isolieren}

 

^{2. Energiemanagementzone}

^{Entkopplungskondensatoren in versetzten Schichten platzieren}

^{Stromleitungen von empfindlichen Signalen wegführen}

^{Vollständige Erdungsrückpfade sicherstellen}

 

^{3. Ausgangstreiberzone}

^{Pull-up-Widerstände nahe an den Ausgangspins platzieren}

^{Breite der Ausgangsleiterbahn entsprechend dem Laststrom auslegen}

^{Testpunkte für die Debugging-Bequemlichkeit reservieren}

 

^{Maßnahmen zur Störunterdrückung}

^{Rauschunterdrückung}

^{Parallele kleine Kondensatoren (10-100 pF) an kritischen Eingangspins}

^{Signalleitungen von Takten und Schaltnetzteilen fernhalten}

^{Verwendung vollständiger Erdungsebenen}

 

^{Wärmemanagement-Design}

^{Vollständige Nutzung der PCB-Kupferfolie zur Wärmeableitung}

^{Hinzufügen von thermischen Vias in Hochtemperaturanwendungen}

^{Ausreichend Platz um die Komponenten herum einhalten}

 

^{Anforderungen an den Herstellungsprozess}

^{Design für die Fertigung}

^{Pad-Abmessungen entsprechen den IPC-7351-Standards}

^{Der Bauteilabstand erfüllt die Anforderungen der automatisierten Produktion}

^{Klare Siebdruckkennzeichnung der Pin-Funktionen}

 

^{Inspektionsstandards}

^{Lötstellenqualität: IPC-A-610 Klasse 2}

^{Ausrichtungsgenauigkeit: ±0,1 mm}

^{Koplanarität: Pin-Höhenvariation ≤0,1 mm}

 

^{Diese Layoutlösung gewährleistet den stabilen Betrieb des LM193DR über den gesamten Temperaturbereich von -55℃ bis +125℃, indem sie die Signalintegrität, die Stromintegrität und das Wärmemanagement optimiert und die anspruchsvollen Anforderungen der Luft- und Raumfahrt, der Automobilelektronik und anderer hochstandardisierter Anwendungen erfüllt.}

 

 

^{IV. PCB-Pad-Layout- und Lötmasken-Design-Leitfaden}

 

^{Kernspezifikationen für das Pad-Layout}

^{Grundlegende Abmessungsparameter}

^{Anzahl der Pins: 8-Pin-Standardkonfiguration}

^{Pad-Breite: 0,45 mm (passt genau zu den Pin-Abmessungen)}

^{Pad-Länge: 1,5 mm (bietet ausreichend Lötfläche)}

^{Pin-Abstand: 0,65 mm (Standard-Abstand-Design)}

^{Paketspanne: 5,8 mm (insgesamt symmetrisches Layout)}

 

^{Anforderungen an das Symmetrie-Design}

^{Vollständig symmetrisches Layout basierend auf der Mittellinie}

^{Alle Abmessungen halten strenge Fertigungstoleranzen ein}

^{Gleichmäßige Wärmeverteilung während des Lötens sicherstellen}

 

^{Standards für das Lötmasken-Design
Nicht-Lötmasken-definiert (NSMD) - Empfohlene Lösung}

^{Strukturelle Merkmale:}

^{Metallpads vollständig freigelegt}

^{Lötmaskenöffnungen größer als die Pad-Abmessungen}

^{Lötmaskenöffnungen 0,05 mm größer als Pads pro Seite}

 

^{Vorteilhafte Eigenschaften:}

^{Reduziert die Spannungskonzentration}

^{Verbessert die Lötzuverlässigkeit}

^{Erleichtert die Prozesskontrolle}

 

^{Lötmasken-definiert (SMD) - Alternative Lösung}

^{Lötmaskenöffnungen passen genau zu den Pad-Abmessungen}

^{Metallschicht teilweise von der Lötmaske bedeckt}

^{Geeignet für hochdichte Routing-Designs}

 

^{Wichtige Designparameter
Steuerung der Maßtoleranz}

^{Pad-Positionstoleranz: ±0,05 mm}

^{Ausrichtungsgenauigkeit der Lötmaske: ±0,05 mm}

^{Gesamtsymmetrieabweichung: ≤0,1 mm}

 

^{Spezifikationen der Metallschicht}

^{Basiskupferfoliendicke: 1oz (35 μm)}

^{Empfohlene Oberflächenausführung: ENIG/Immersion Gold}

^{Pad-Kantenbehandlung mit abgerundeten Ecken}

 

^{Anforderungen an den Herstellungsprozess
Schablonen-Designparameter}

^{Breite: 0,4-0,45 mm (90-100 % der Pin-Breite)}

^{Länge: 1,4-1,5 mm}

^{Schablonendicke: 0,1-0,15 mm}

 

^{Steuerung des Lötprozesses}

^{Lotpastentyp: Typ III bleifrei}

^{Reflow-Spitzentemperatur: 245-255 °C}

^{Aufheizrate: 1-3 °C/Sekunde}

 

^{Qualitätsverifizierungsstandards
Herstellbarkeitsprüfung}

^{Pad-Abstand ≥0,2 mm}

^{Lötmaskenbrückenbreite ≥0,1 mm}

^{Abstand zwischen Siebdruck und Pad ≥0,1 mm}

 

^{Zuverlässigkeitsprüfung}

^{Thermischer Zyklustest: -55℃ bis 125℃}

^{Lötstellenfestigkeit: Entspricht IPC-9701}

^{Sichtprüfung: Erfüllt IPC-A-610 Klasse 2/3}

 

^{Dieser Designleitfaden bietet umfassende technische Spezifikationen für das PCB-Design des LM193DR in hochzuverlässigen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilelektronik und gewährleistet einen langfristig stabilen Betrieb in rauen Umgebungen.}

 

 

V. Gehäuseabmessungen und Strukturanalyse

 

 

^{Hauptabmessungen des Gehäuseumrisses}

^{Hauptprofilabmessungen}

^{Gehäuselänge: 1,90 - 2,10 mm}

^{Gehäusebreite: 0,70 - 0,80 mm}

^{Gehäusehöhe: 0,18 - 0,32 mm (Pin-Dicke)}

^{Auflageebene: 0,08 mm Referenzebene}

 

 

 

^{Parameter der Pin-Struktur}

^{Pin-Breite: 0,18 - 0,32 mm}

^{Pin-Länge: 0,20 - 0,40 mm}

^{Pin-Abstand: 6 × 0,50 mm Standardabstand}

^{Seitenwandmetallstärke: 0,10 mm typischer Wert}

 

^{Besondere strukturelle Merkmale}

^{Pin 1 Identifikationsbereich}

^{45 ° Abschrägungsdesign, Breite 0,25 mm}

^{Bietet eine klare Polaritätsidentifizierung}

^{Erleichtert die automatisierte optische Inspektion}

 

^{Wärmepad-Design}

^{Freiliegendes Wärmepad: Befindet sich an der Unterseite des Gehäuses}

^{Wärmeverbesserte Struktur: Verbessert die Wärmeableitungsfähigkeit}

^{Lötanforderungen: Benötigt guten Kontakt mit der Leiterplatte}

 

^{Pin-Form-Optionen}

^{Option 1: Standard-Gull-Wing-Leads}

^{Option 2: Alternative Anschlussformen}

 

^{Steuerung der Maßtoleranz}

^{Primäre Abmessungen: ±0,05 mm Standardtoleranz}

^{Kritische Abmessungen: ±0,10 mm enge Toleranz}

^{Kumulative Toleranz: 0,050 mm maximale Abweichung}

 

^{Richtlinien zur Anpassung des PCB-Designs}

^{Empfehlungen für das Pad-Design}

^{Pad-Breite: 0,22 - 0,32 mm (passend zu den Pin-Abmessungen)}

^{Pad-Länge: 0,70 - 0,91 mm}

^{Abstandswartung: 0,18 mm Mindestabstand}

 

^{Wärmemanagement-Design}

^{Volle Kupferabdeckung im Wärmepadbereich}

^{Empfohlene Verwendung von thermischen Via-Arrays}

^{Effiziente Wärmeleitpfade sicherstellen}

 

^{Qualitätsverifizierungsstandards}

^{Anforderungen an die Sichtprüfung}

^{Koplanarität der Pins: ≤ 0,10 mm}

^{Ausrichtungsgenauigkeit der Pads: ± 0,05 mm}

^{Integrität der Oberflächenbehandlung: Keine Oxidation, keine Kontamination}

 

^{Zuverlässigkeitstests}

^{Temperaturwechsel: -55℃ bis +125℃}

^{Mechanische Festigkeit: Entspricht den JEDEC-Standards}

^{Lötqualität: Zertifiziert nach IPC-A-610}

 

^{Diese Gehäuseabmessungsanalyse liefert präzise mechanische Referenzen für das PCB-Design des LM193DR in rauen Umgebungen und gewährleistet eine stabile mechanische Fixierung und ein effizientes Wärmemanagement in hochzuverlässigen Anwendungen.}

 

 

^{VI. Pin-Konfiguration und Funktionsanalyse}

 

^{Übersicht über den Gehäusetyp}

^{Standard-8-Pin-Gehäuse: Unterstützt mehrere Gehäuseformate, einschließlich SOIC, VSOP, PDIP und TSSOP}

^{Wärmeverbesserte Gehäuse: Ausgewählte Modelle verfügen über thermische Pads auf der Unterseite für eine verbesserte Wärmeableitung}

 

^{Detaillierte Beschreibung der Pin-Funktion}

^{Komparator-Pins von Kanal 1}

^{Pin 1 (1OUT): Komparator A-Ausgang}

^{Open-Collector-Ausgangsstruktur}

^{Benötigt einen externen Pull-up-Widerstand}

^{Ausgangssättigungsspannung: 400 mV (typisch)}

 

^{Pin 2 (1IN-): Komparator A Invertierender Eingang}

^{Hochohmiger Eingang: 0,3 MΩ (typisch)}

^{Eingangsruhestrom: 500 nA (maximal)}

 

^{Pin 3 (1IN+): Komparator A Nichtinvertierender Eingang}

^{Gleichtakteingangsbereich: 0 V bis Vcc-1,5 V}

 

^{Komparator-Pins von Kanal 2}

^{Pin 7 (2OUT): Komparator B-Ausgang}

^{Gleiche Open-Collector-Struktur wie 1OUT}

^{Kann unabhängig voneinander verschiedene Lasten ansteuern}

 

^{Pin 6 (2IN-): Komparator B Invertierender Eingang}

^{Pin 5 (2IN+): Komparator B Nichtinvertierender Eingang}

 

^{Pins für das Energiemanagement}

^{Pin 8 (Vcc/V+): Positive Versorgungseingabe}

^{Betriebsspannungsbereich: 2 V bis 36 V}

^{Kompatibel mit Einzel- oder Doppelversorgungskonfiguration}

 

^{Pin 4 (GND): Erdungs-/Negative Versorgungsanschluss}

^{Im Einzelversorgungsmodus mit Systemmasse verbunden}

^{Im Doppelversorgungsmodus mit der negativen Versorgungsschiene verbunden}

 

Konfiguration des Kühlkörperpads

 

 

^{Wichtige Designanforderungen}

^{Muss direkt mit dem GND-Pin (Pin 4) verbunden sein}

^{Die Leiterplatte sollte eine ausreichende Kupferfläche für die Wärmeableitung bereitstellen}

^{Thermische Vias werden empfohlen, um die Wärmeableitung zu verbessern效果}

 

^{Elektrische Kennwerte}

^{Komparatorleistung}

^{Ansprechzeit: 1,3 μs typisch (5 mV Übersteuerung)}

^{Eingangs-Offsetspannung: ±2 mV maximal}

^{Spannungsverstärkung: 200 V/mV typisch}

 

Betriebsumgebung

Temperaturbereich: -55℃ bis +125℃

Ruhestrom: 0,8 mA/Komparator (typisch)

 

^{Design-Anwendungshinweise}

^{Empfehlungen zur Ausgangskonfiguration}

^{Pull-up-Widerstandswert: 1 kΩ bis 10 kΩ}

^{Maximaler Senkstrom: 16 mA (absolutes Maximum)}

^{Ausgänge können parallel geschaltet werden, um eine Wired-AND-Logik zu implementieren}

 

^{Anforderungen an die Stromversorgungsentkopplung}

^{Ein 0,1 μF-Keramikkondensator muss nahe am Vcc-Pin platziert werden}

^{Zusätzlicher 10 μF-Elektrolytkondensator für Hochfrequenzanwendungen empfohlen}

 

^{Diese Pin-Konfigurationsanalyse bietet eine umfassende technische Referenz für das Schaltungsdesign des LM193DR in rauen Umgebungen wie der industriellen Steuerung und der Automobilelektronik und gewährleistet eine stabile und zuverlässige Spannungskomparationsfunktionalität.}