Analisi del design del comparatore di alta precisione LM193DR

^{18 ottobre 2025 — Sulla scia della crescente complessità nell'automazione industriale e nei sistemi elettronici automobilistici, si registrano maggiori esigenze di adattabilità ambientale e stabilità operativa dei componenti chiave per l'elaborazione dei segnali. Come una delle soluzioni che affrontano le applicazioni in ambienti difficili, il comparatore di tensione duale LM193DR, con il suo intervallo di temperatura industriale esteso da -55°C a +125°C e una tensione di offset in ingresso fino a ±1 mV (tipico), fornisce capacità affidabili di rilevamento della tensione e confronto del segnale per il controllo aerospaziale, i motori automobilistici e i sistemi di rilevamento industriale di alta precisione.}

 

 

^{I. Introduzione al chip}

 

^{L'LM193DR è un circuito integrato monolitico che incorpora due comparatori di tensione di precisione indipendenti. Alloggiato in un package SOIC-8, questo dispositivo presenta un basso consumo energetico, un'elevata precisione e un intervallo di temperatura di funzionamento ultra-ampio, pur mantenendo la compatibilità diretta con le interfacce logiche TTL, CMOS e MOS.}

 

^{Caratteristiche principali e vantaggi:}

^{Ampio intervallo di temperatura: funzionamento completo da -55°C a +125°C}

^{Bassa tensione di offset in ingresso: tipicamente ±1 mV, massimo ±2 mV}

^{Basso valore di corrente di polarizzazione in ingresso: tipicamente 25 nA}

^{Ampio intervallo di tensione di funzionamento: alimentazione singola da 2 V a 36 V}

^{Design a basso consumo: corrente di riposo di circa 0,8 mA per comparatore}

 

^{Campi di applicazione tipici:}

^{Sistemi di controllo aerospaziale}

^{Centraline elettroniche automobilistiche (ECU)}

^{Strumenti di controllo dei processi industriali}

^{Interfacce per sensori di alta precisione}

 

 

II. Analisi del diagramma a blocchi funzionali del singolo comparatore

 

^{Panoramica dell'architettura principale
L'LM193DR impiega una classica architettura a transistor bipolari, con ogni comparatore composto da uno stadio di ingresso differenziale completo, uno stadio di guadagno e uno stadio di uscita, garantendo un'accuratezza di confronto stabile su un ampio intervallo di temperature.}

 

 

 

^{Analisi dei principali moduli funzionali}

^{1. Stadio amplificatore differenziale in ingresso}

^{Struttura principale: Q1 e Q2 formano una coppia di ingresso differenziale PNP}

^{Progettazione della polarizzazione: Q15 costituisce una sorgente di corrente costante, fornendo una corrente di funzionamento stabile}

^{Meccanismi di protezione:}

^{D3 e D4 implementano la protezione del morsetto in ingresso}

^{Circuito di limitazione della tensione di modo comune}

 

^{Caratteristiche di prestazione:}

^{Corrente di polarizzazione in ingresso: tipicamente 25 nA}

^{Tensione di offset in ingresso: tipicamente ±1 mV}

^{L'intervallo di ingresso in modo comune include il potenziale di massa}

 

^{2. Rete di polarizzazione e riferimento}

^{Struttura a specchio di corrente: Q9-Q12 e Q14 formano un circuito di polarizzazione di precisione}

^{Compensazione della temperatura: la compensazione integrata garantisce la stabilità su tutto l'intervallo di temperatura}

^{Spostamento di livello: D1 e D2 forniscono riferimenti di tensione stabili}

 

^{3. Stadio di guadagno intermedio}

^{Circuito amplificatore: Q3, Q4, ecc. formano uno stadio amplificatore a emettitore comune}

^{Implementazione funzionale:}

^{Fornisce il guadagno di tensione primario}

^{Converte i segnali differenziali in segnali single-ended}

^{Comanda il funzionamento dello stadio di uscita}

 

^{4. Stadio driver di uscita}

^{Struttura di uscita: design di uscita a collettore aperto}

^{Componente principale: Q13 funge da transistor driver di uscita}

^{Circuito di protezione: protezione ESD integrata}

^{Caratteristiche principali:}

^{Tensione di saturazione in uscita: tipicamente 130 mV}

^{Compatibile con i livelli logici TTL/CMOS}

^{Richiede una resistenza pull-up esterna}

 

^{Analisi del percorso del segnale}

^{Ingresso non invertente → Q2 → Spostamento di livello → Stadio di guadagno → Ingresso invertente del driver di uscita → Q1 → Spostamento di livello → Stadio di guadagno → Driver di uscita}

 

^{Parametri di prestazione chiave}

^{Caratteristiche di precisione}

^{Guadagno di tensione: tipicamente 200 V/mV}

^{Tempo di risposta: 1,3 μs (Vcc=5V)}

^{Intervallo di modo comune in ingresso: da 0 V a Vcc-1,5 V}

 

^{Caratteristiche di affidabilità}

^{Temperatura di funzionamento: da -55℃ a +125℃}

^{Protezione ESD: >2000 V}

^{Stabilità a lungo termine: <0,5 μV/mese}

 

^{Riepilogo dei vantaggi progettuali}

^{Questa architettura incarna la filosofia progettuale dei circuiti integrati analogici ad alta affidabilità:}

^{Adattabilità ambientale: mantiene prestazioni stabili su ampi intervalli di temperatura}

^{Garanzia di precisione: progettazione sofisticata della polarizzazione e della compensazione}

^{Compatibilità del sistema: interfaccia flessibile e configurazione dell'uscita}

^{Funzionamento affidabile: meccanismi di protezione integrati completi}

 

^{Questo diagramma a blocchi funzionali fornisce le basi tecniche per la comprensione dei principi operativi dell'LM193DR in ambienti estremi, rendendolo particolarmente adatto per la verifica della progettazione in scenari applicativi ad alta affidabilità come l'aerospaziale e l'elettronica automobilistica.}

 

 

III. Guida alla progettazione del layout PCB

 

Configurazione dei pin e analisi funzionale

 

 

 

^{Dettagli della funzione dei pin:}

^{Pin 1 (1OUT): Uscita del comparatore A
Uscita a collettore aperto, richiede una resistenza pull-up esterna}

^{Pin 2 (1IN-): Ingresso invertente del comparatore A}

^{Pin 3 (1IN+): Ingresso non invertente del comparatore A}

^{Pin 4 (GND): Terminale di massa}

^{Pin 5 (2IN+): Ingresso non invertente del comparatore B}

^{Pin 6 (2IN-): Ingresso invertente del comparatore B}

^{Pin 7 (2OUT): Uscita del comparatore B}

^{Pin 8 (Vcc): Alimentazione positiva (da 2 V a 36 V)}

 

^{Punti chiave del layout PCB}

^{Elaborazione del segnale in ingresso}

^{Resistenze di ingresso posizionate vicino al dispositivo: distanza controllata entro 2 mm}

^{Layout simmetrico: i segnali differenziali utilizzano un design di traccia di uguale lunghezza}

^{Protezione schermatura: segnali di ingresso sensibili circondati da tracce di massa}

 

^{Progettazione del disaccoppiamento dell'alimentazione}

^{Condensatori di disaccoppiamento posizionati <3 mm dai pin}

^{Larghezza della traccia di alimentazione ≥0,5 mm}

^{Strategia di layout a zone}

 

^{1. Zona del segnale in ingresso}

^{Componenti del filtro in ingresso adiacenti ai pin corrispondenti}

^{Evitare il routing parallelo delle linee di ingresso e di uscita}

^{Segnali ad alta frequenza isolati con piani di massa}

 

^{2. Zona di gestione dell'alimentazione}

^{Condensatori di disaccoppiamento posizionati in strati sfalsati}

^{Linee di alimentazione instradate lontano dai segnali sensibili}

^{Garantire percorsi di ritorno a massa completi}

 

^{3. Zona di pilotaggio dell'uscita}

^{Resistenze pull-up posizionate vicino ai pin di uscita}

^{Larghezza della traccia di uscita progettata in base alla corrente di carico}

^{Punti di test riservati per la comodità del debug}

 

^{Misure di progettazione anti-interferenza}

^{Soppressione del rumore}

^{Piccoli condensatori paralleli (10-100 pF) sui pin di ingresso critici}

^{Linee di segnale tenute lontane da clock e alimentatori switching}

^{Utilizzo di piani di massa completi}

 

^{Progettazione della gestione termica}

^{Utilizzare appieno la lamina di rame PCB per la dissipazione del calore}

^{Aggiungere fori termici in applicazioni ad alta temperatura}

^{Mantenere uno spazio adeguato attorno ai componenti}

 

^{Requisiti del processo di produzione}

^{Progettazione per la produzione}

^{Le dimensioni dei pad sono conformi agli standard IPC-7351}

^{La spaziatura dei componenti soddisfa i requisiti di produzione automatizzata}

^{Identificazione serigrafica chiara delle funzioni dei pin}

 

^{Standard di ispezione}

^{Qualità della giunzione saldata: IPC-A-610 Classe 2}

^{Accuratezza dell'allineamento: ±0,1 mm}

^{Coplanarità: variazione dell'altezza dei pin ≤0,1 mm}

 

^{Questa soluzione di layout garantisce il funzionamento stabile dell'LM193DR su tutto l'intervallo di temperatura da -55℃ a +125℃ ottimizzando l'integrità del segnale, l'integrità dell'alimentazione e la gestione termica, soddisfacendo i requisiti esigenti dell'aerospaziale, dell'elettronica automobilistica e di altre applicazioni ad alto standard.}

 

 

^{IV. Guida alla progettazione del layout dei pad PCB e della maschera di saldatura}

 

^{Specifiche principali del layout dei pad}

^{Parametri dimensionali di base}

^{Numero di pin: configurazione standard a 8 pin}

^{Larghezza del pad: 0,45 mm (corrisponde con precisione alle dimensioni dei pin)}

^{Lunghezza del pad: 1,5 mm (fornisce un'area di saldatura sufficiente)}

^{Passo dei pin: 0,65 mm (design a passo standard)}

^{Campata del package: 5,8 mm (layout simmetrico complessivo)}

 

^{Requisiti di progettazione della simmetria}

^{Layout completamente simmetrico basato sulla linea centrale}

^{Tutte le dimensioni mantengono tolleranze di produzione rigorose}

^{Garantire una distribuzione uniforme del calore durante la saldatura}

 

^{Standard di progettazione della maschera di saldatura
Non Solder Mask Defined (NSMD) - Soluzione consigliata}

^{Caratteristiche strutturali:}

^{Pad metallici completamente esposti}

^{Aperture della maschera di saldatura più grandi delle dimensioni dei pad}

^{Aperture della maschera di saldatura 0,05 mm più grandi dei pad per lato}

 

^{Caratteristiche vantaggiose:}

^{Riduce la concentrazione delle sollecitazioni}

^{Migliora l'affidabilità della saldatura}

^{Facilita il controllo del processo}

 

^{Solder Mask Defined (SMD) - Soluzione alternativa}

^{Le aperture della maschera di saldatura corrispondono con precisione alle dimensioni dei pad}

^{Strato metallico parzialmente coperto dalla maschera di saldatura}

^{Adatto per progetti di routing ad alta densità}

 

^{Parametri di progettazione chiave
Controllo della tolleranza dimensionale}

^{Tolleranza della posizione del pad: ±0,05 mm}

^{Accuratezza dell'allineamento della maschera di saldatura: ±0,05 mm}

^{Deviazione complessiva della simmetria: ≤0,1 mm}

 

^{Specifiche dello strato metallico}

^{Spessore della lamina di rame di base: 1 oz (35 μm)}

^{Finitura superficiale consigliata: ENIG/Oro a immersione}

^{Trattamento ad angolo arrotondato del bordo del pad}

 

^{Requisiti del processo di produzione
Parametri di progettazione dello stencil}

^{Larghezza: 0,4-0,45 mm (90-100% della larghezza del pin)}

^{Lunghezza: 1,4-1,5 mm}

^{Spessore dello stencil: 0,1-0,15 mm}

 

^{Controllo del processo di saldatura}

^{Tipo di pasta saldante: Tipo III senza piombo}

^{Temperatura di picco di rifusione: 245-255°C}

^{Velocità di riscaldamento: 1-3°C/secondo}

 

^{Standard di verifica della qualità
Controllo della producibilità}

^{Spaziatura dei pad ≥0,2 mm}

^{Larghezza del ponte della maschera di saldatura ≥0,1 mm}

^{Spaziatura della serigrafia al pad ≥0,1 mm}

 

^{Verifica dell'affidabilità}

^{Test del ciclo termico: da -55℃ a 125℃}

^{Resistenza della giunzione saldata: conforme a IPC-9701}

^{Ispezione visiva: conforme a IPC-A-610 Classe 2/3}

 

^{Questa guida alla progettazione fornisce specifiche tecniche complete per la progettazione PCB dell'LM193DR in applicazioni ad alta affidabilità come l'aerospaziale e l'elettronica automobilistica, garantendo un funzionamento stabile a lungo termine in ambienti difficili.}

 

 

V. Dimensioni del package e analisi della struttura

 

 

^{Dimensioni chiave del profilo del package}

^{Dimensioni del profilo principale}

^{Lunghezza del package: 1,90 - 2,10 mm}

^{Larghezza del package: 0,70 - 0,80 mm}

^{Altezza del package: 0,18 - 0,32 mm (spessore del pin)}

^{Piano di appoggio: piano di riferimento di 0,08 mm}

 

 

 

^{Parametri della struttura dei pin}

^{Larghezza del pin: 0,18 - 0,32 mm}

^{Lunghezza del pin: 0,20 - 0,40 mm}

^{Passo dei pin: spaziatura standard di 6×0,50 mm}

^{Spessore del metallo del fianco: valore tipico di 0,10 mm}

 

^{Caratteristiche strutturali speciali}

^{Area di identificazione del pin 1}

^{Design smussato a 45°, larghezza 0,25 mm}

^{Fornisce una chiara identificazione della polarità}

^{Facilita l'ispezione ottica automatizzata}

 

^{Progettazione del pad termico}

^{Pad termico esposto: situato nella parte inferiore del package}

^{Struttura termica migliorata: migliora la capacità di dissipazione della potenza}

^{Requisiti di saldatura: richiede un buon contatto con il PCB}

 

^{Opzioni di forma dei pin}

^{Opzione 1: terminali standard ad ala di gabbiano}

^{Opzione 2: forme terminali alternative}

 

^{Controllo della tolleranza dimensionale}

^{Dimensioni primarie: tolleranza standard ±0,05 mm}

^{Dimensioni critiche: tolleranza stretta ±0,10 mm}

^{Tolleranza cumulativa: deviazione massima di 0,050 mm}

 

^{Linee guida per l'adattamento alla progettazione PCB}

^{Raccomandazioni per la progettazione dei pad}

^{Larghezza del pad: 0,22 - 0,32 mm (corrispondente alle dimensioni dei pin)}

^{Lunghezza del pad: 0,70 - 0,91 mm}

^{Mantenimento della spaziatura: distanza minima di 0,18 mm}

 

^{Progettazione della gestione termica}

^{Copertura completa del rame nell'area del pad termico}

^{Uso consigliato di array di fori termici}

^{Garantire percorsi di conduzione del calore efficienti}

 

^{Standard di verifica della qualità}

^{Requisiti di ispezione visiva}

^{Coplanarità dei terminali: ≤ 0,10 mm}

^{Accuratezza dell'allineamento del pad: ± 0,05 mm}

^{Integrità del trattamento superficiale: nessuna ossidazione, nessuna contaminazione}

 

^{Test di affidabilità}

^{Ciclo termico: da -55℃ a +125℃}

^{Resistenza meccanica: conforme agli standard JEDEC}

^{Qualità della saldatura: certificata secondo IPC-A-610}

 

^{Questa analisi delle dimensioni del package fornisce riferimenti meccanici precisi per la progettazione PCB dell'LM193DR in ambienti difficili, garantendo un fissaggio meccanico stabile e un'efficiente gestione termica in applicazioni ad alta affidabilità.}

 

 

^{VI. Configurazione dei pin e analisi funzionale}

 

^{Panoramica del tipo di package}

^{Package standard a 8 pin: supporta più formati di package tra cui SOIC, VSOP, PDIP e TSSOP}

^{Package termicamente migliorati: i modelli selezionati presentano pad termici sul lato inferiore per una migliore dissipazione del calore}

 

^{Descrizione dettagliata della funzione dei pin}

^{Pin del comparatore del canale 1}

^{Pin 1 (1OUT): Uscita del comparatore A}

^{Struttura di uscita a collettore aperto}

^{Richiede una resistenza pull-up esterna}

^{Tensione di saturazione in uscita: 400 mV (tipico)}

 

^{Pin 2 (1IN-): Ingresso invertente del comparatore A}

^{Ingresso ad alta impedenza: 0,3 MΩ (tipico)}

^{Corrente di polarizzazione in ingresso: 500 nA (massimo)}

 

^{Pin 3 (1IN+): Ingresso non invertente del comparatore A}

^{Intervallo di modo comune in ingresso: da 0 V a Vcc-1,5 V}

 

^{Pin del comparatore del canale 2}

^{Pin 7 (2OUT): Uscita del comparatore B}

^{Stessa struttura a collettore aperto di 1OUT}

^{In grado di pilotare indipendentemente carichi diversi}

 

^{Pin 6 (2IN-): Ingresso invertente del comparatore B}

^{Pin 5 (2IN+): Ingresso non invertente del comparatore B}

 

^{Pin di gestione dell'alimentazione}

^{Pin 8 (Vcc/V+): Ingresso alimentazione positiva}

^{Intervallo di tensione di funzionamento: da 2 V a 36 V}

^{Compatibile con configurazione a singola o doppia alimentazione}

 

^{Pin 4 (GND): Terminale di massa/alimentazione negativa}

^{Collegato alla massa del sistema in modalità a singola alimentazione}

^{Collegato al rail di alimentazione negativo in modalità a doppia alimentazione}

 

Configurazione del pad del dissipatore di calore

 

 

^{Requisiti di progettazione chiave}

^{Deve essere collegato direttamente al pin GND (Pin 4)}

^{Il PCB deve fornire un'area di rame sufficiente per la dissipazione del calore}

^{Si consigliano fori termici per migliorare la dissipazione del calore效果}

 

^{Parametri delle caratteristiche elettriche}

^{Prestazioni del comparatore}

^{Tempo di risposta: 1,3 μs tipico (sovraccarico di 5 mV)}

^{Tensione di offset in ingresso: massimo ±2 mV}

^{Guadagno di tensione: 200 V/mV tipico}

 

Ambiente operativo

Intervallo di temperatura: da -55℃ a +125℃

Corrente di riposo: 0,8 mA/comparatore (tipico)

 

^{Note sull'applicazione del design}

^{Raccomandazioni sulla configurazione dell'uscita}

^{Valore della resistenza pull-up: da 1 kΩ a 10 kΩ}

^{Corrente di assorbimento massima: 16 mA (massimo assoluto)}

^{Le uscite possono essere messe in parallelo per implementare la logica wired-AND}

 

^{Requisiti di disaccoppiamento dell'alimentazione}

^{Un condensatore ceramico da 0,1 μF deve essere posizionato vicino al pin Vcc}

^{Si consiglia un condensatore elettrolitico aggiuntivo da 10 μF per applicazioni ad alta frequenza}

 

^{Questa analisi della configurazione dei pin fornisce un riferimento tecnico completo per la progettazione di circuiti dell'LM193DR in ambienti difficili come il controllo industriale e l'elettronica automobilistica, garantendo una funzionalità di confronto della tensione stabile e affidabile.}