Analisi approfondita del disegno e del processo di saldatura LM393P
15 ottobre 2025 – Con la continua crescita della domanda di applicazioni sensibili ai costi nel controllo industriale e nell'elettronica di consumo, i comparatori di tensione ad alte prestazioni ma economici stanno diventando componenti fondamentali nella progettazione di circuiti fondamentali. Il comparatore differenziale duale LM393P, standard del settore ampiamente adottato, con la sua ampia gamma di tensioni (da 2V a 36V) e le caratteristiche di uscita a collettore aperto, fornisce una soluzione di confronto di tensione economica e affidabile per il controllo motori, il rilevamento del livello e i circuiti di interfaccia dei sensori.
I. Introduzione al chip
L'LM393P è un circuito integrato monolitico che integra due comparatori di tensione indipendenti. Questo dispositivo è dotato di un package DIP-8 standard, che offre un basso consumo energetico, un'elevata precisione e un'ampia gamma di tensioni di alimentazione ed è direttamente compatibile con le interfacce logiche TTL, CMOS e MOS.
Caratteristiche e vantaggi principali:
Ampia gamma di tensioni operative: alimentazione singola da 2V a 36V, alimentazione doppia ±1V a ±18V
Basso valore di corrente di polarizzazione in ingresso: tipicamente 25 nA
Bassa tensione di offset in ingresso: tipicamente ±2 mV
Uscita a collettore aperto: supporta la configurazione flessibile del livello di uscita
Design a basso consumo: corrente di riposo di soli 0,4 mA per comparatore (a Vcc=5V)
II. Configurazione dei pin e analisi funzionale
Panoramica del tipo di package
Package standard a 8 pin: include più formati di package come DIP-8, SOIC-8 e TSSOP-8
Package a prestazioni termiche migliorate: i modelli selezionati sono dotati di pad termici esposti nella parte inferiore per migliorare le prestazioni di dissipazione del calore
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Definizioni delle funzioni dei pin:
1. Pin relativi al canale 1
Pin 1 (1OUT): Uscita del comparatore A
Struttura di 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
2. Pin relativi al canale 2
Pin 7 (2OUT): Uscita del comparatore B
Presenta anche una struttura di uscita a collettore aperto
Pin 6 (2IN-): Ingresso invertente del comparatore B
Pin 5 (2IN+): Ingresso non invertente del comparatore B
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Elementi essenziali per la progettazione del pad termico:
Deve essere collegato direttamente al pin GND (Pin 4)
Fornisce un percorso ottimale per la dissipazione del calore
La progettazione del PCB deve includere un'ampia colata di rame e vias termici
Considerazioni chiave per la progettazione
1. Requisiti di configurazione dell'uscita
Tutte le uscite presentano una struttura a collettore aperto
Le resistenze pull-up esterne all'alimentazione positiva sono obbligatorie
Selezionare i valori delle resistenze pull-up in base ai requisiti di carico e velocità (intervallo tipico: da 1 kΩ a 10 kΩ)
2. Progettazione del disaccoppiamento dell'alimentazione
Posizionare un condensatore ceramico da 0,1 μF vicino al pin Vcc
Per applicazioni ad alta frequenza, si consiglia un condensatore elettrolitico aggiuntivo parallelo da 10 μF
3. Misure di protezione dell'ingresso
La tensione di ingresso non deve superare la gamma di tensione di alimentazione
Per applicazioni sensibili, è possibile aggiungere resistenze di limitazione della corrente in serie agli ingressi
Questa analisi della configurazione dei pin fornisce una guida tecnica completa per la progettazione del circuito e il layout del PCB dell'LM393P, garantendo prestazioni stabili e affidabili in vari scenari applicativi.
III. Analisi del diagramma a blocchi funzionali del singolo comparatore
Panoramica dell'architettura principale
L'LM393P impiega una classica architettura di ingresso differenziale a transistor bipolare, in cui ogni comparatore comprende un circuito completo di stadio di ingresso, stadio di guadagno e stadio di uscita, garantendo una funzionalità di confronto stabile su un'ampia gamma di tensioni.
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Analisi dei principali moduli funzionali
1. Stadio amplificatore differenziale di ingresso
Struttura principale: Q1 e Q2 formano una coppia di ingresso differenziale PNP
Circuito di polarizzazione: Q15 costituisce una sorgente di corrente di coda (Itail), che fornisce una corrente operativa stabile
Progettazione di protezione:
D3 e D4 implementano la protezione del morsetto di ingresso
Il morsetto VCM fornisce la limitazione della tensione di modo comune
Caratteristiche tecniche:
Elevata impedenza di ingresso che supporta il rilevamento di segnali deboli
Ampia gamma di ingressi in modo comune (compreso il potenziale di terra)
Bassa corrente di polarizzazione in ingresso (tipicamente 25 nA)
2. Rete di polarizzazione e riferimento
Generazione di polarizzazione: Q9-Q12 e Q14 formano uno specchio di corrente di precisione
Spostamento di livello: D1 e D2 forniscono una polarizzazione di tensione stabile
Compensazione della temperatura: la compensazione integrata garantisce la stabilità sull'intera gamma di temperature
3. Stadio di guadagno intermedio
Struttura di amplificazione: Q3, Q4, ecc. formano un circuito amplificatore a emettitore comune
Ruoli funzionali:
Fornisce il guadagno di tensione primario
Implementa la conversione del segnale da differenziale a single-ended
Comanda il funzionamento dello stadio di uscita
4. Stadio driver di uscita
Struttura di uscita: Q13 funge da transistor di uscita a collettore aperto
Protezione ESD: circuito di protezione dalle scariche elettrostatiche integrato
Caratteristiche principali:
Compatibile con i livelli logici TTL/CMOS
Bassa tensione di saturazione in uscita (tipicamente 130 mV)
Richiede una resistenza pull-up esterna
Analisi del percorso del segnale
Ingresso positivo → Q2 → Spostamento di livello → Stadio di guadagno → Ingresso negativo del driver di uscita → Q1 → Spostamento di livello → Stadio di guadagno → Driver di uscita
Caratteristiche prestazionali chiave
Specifiche di precisione
4. Scenari applicativi tipici
Corrente di polarizzazione in ingresso: tipicamente 25 nA
Guadagno di tensione: tipicamente 200 V/mV
Prestazioni di velocità
Corrente di polarizzazione in ingresso: massimo 50 nA
Ritardo di propagazione: soddisfa i requisiti per la maggior parte delle applicazioni
Progettazione dell'affidabilità
Protezione ESD: capacità antistatica migliorata
Protezione dell'ingresso: previene i danni da sovratensione
Stabilità termica: prestazioni costanti sull'intera gamma di temperature
Riepilogo dei vantaggi di progettazione
Questa architettura incarna la filosofia di progettazione dei classici circuiti integrati analogici, ottenendo quanto segue garantendo al contempo le prestazioni:
Elevata affidabilità: meccanismi di protezione integrati completi
Funzionamento ad ampia tensione: supporta una gamma di alimentazione da 2V a 36V
Basso consumo energetico: corrente di riposo di soli ~0,4 mA per comparatore
Stabilità della temperatura: mantiene le prestazioni su intervalli di temperatura industriale
Questa analisi del diagramma a blocchi funzionali fornisce un riferimento tecnico cruciale per la comprensione approfondita e la progettazione di applicazioni dell'LM393P, particolarmente adatto per applicazioni di controllo industriale ed elettronica di consumo che richiedono un confronto di tensione ad alta precisione.
IV. Analisi dei circuiti applicativi tipici
Configurazione del comparatore single-ended
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Configurazione del comparatore differenziale
Logica di confronto:
Quando Vin+ > Vin-: livello basso in uscita
Quando Vin+ < Vin-: stato ad alta impedenza in uscitaScenari applicativi:
Rilevamento della differenza di segnale
Comparatore a finestra
Circuito di rilevamento dell'attraversamento dello zero
Parametri di progettazione principali
1. Configurazione dell'alimentazione
Gamma di tensione operativa: da 2V a 36V (alimentazione singola)
Modalità di alimentazione doppia: da ±1V a ±18V
Corrente di riposo: circa 0,4 mA per comparatore (Vcc=5V)
2. Caratteristiche di uscita
Uscita a collettore aperto: richiede una resistenza pull-up
Tensione di saturazione in uscita: tipicamente 130 mV (a Isink=4 mA)
Compatibilità logica: supporta i livelli TTL/CMOS
3. Parametri di prestazione
Tempo di risposta: tipicamente 1,3 μs
Corrente di polarizzazione in ingresso: massimo 50 nA
Tensione di offset in ingresso: massimo ±2 mV
4. Scenari applicativi tipici
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Monitoraggio della tensione
Rilevamento del livello della batteria
Monitoraggio della tensione di alimentazione
Protezione da sovratensione/sottotensione
Condizionamento del segnale
Generatore di onde quadre
Rilevamento della larghezza dell'impulso
Interfaccia di conversione da analogico a digitale
Applicazioni di controllo
Interruttore di controllo della temperatura
Circuito di controllo motore
Interfaccia sensore fotoelettrico
5. Considerazioni sulla progettazione
Selezione della resistenza pull-up
Formula di calcolo: Rpullup = (Vlogic - Vol) / Iol_sink Intervallo consigliato: da 1 kΩ a 10 kΩ Fattori di compromesso: consumo energetico rispetto alla velocità di commutazione
Misure di soppressione del rumore
Aggiungere il filtraggio RC agli ingressi
Implementare il disaccoppiamento locale ai pin di alimentazione
Applicare la protezione di schermatura per le linee di segnale sensibili
Considerazioni sul layout
Instradare i segnali di ingresso lontano dalle tracce di uscita
Mantenere un piano di massa continuo per ridurre il rumore
I pad termici (se presenti) devono essere collegati a terra
Questi circuiti applicativi dimostrano la flessibilità e l'affidabilità dell'LM393P come comparatore di tensione classico. Con una semplice configurazione, può soddisfare vari requisiti di rilevamento della tensione ed elaborazione del segnale, rendendolo particolarmente adatto per applicazioni di controllo industriale e elettronica di consumo sensibili ai costi.
V. Guida alla progettazione del layout del PCB
Principi fondamentali del layout
Elaborazione del segnale di ingresso
Resistenze di ingresso posizionate vicino al dispositivo: riduce l'accoppiamento del rumore e la riflessione del segnale
Isolamento del segnale sensibile: tracce di ingresso instradate lontano dalle linee di uscita e di alimentazione
Layout simmetrico: i segnali di ingresso differenziali utilizzano tracce di uguale lunghezza
Progettazione del disaccoppiamento dell'alimentazione
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Pin Vcc → condensatore ceramico da 0,1 μF → GND
Condensatori di disaccoppiamento posizionati adiacenti ai pin di alimentazione
Utilizzare tracce di collegamento corte e larghe
Aggiungere un condensatore elettrolitico da 10 μF per applicazioni ad alta frequenza
Strategie di ottimizzazione del layout
1. Layout di zonizzazione dei componenti
[Zona di ingresso] → [Chip LM393P] → [Zona di uscita]
↓ ↓ ↓
Resistenze di ingresso Comparatore principale Resistenze pull-up
Filtro del segnale Condensatori di disaccoppiamento Azionamento del carico
2. Tecniche di messa a terra
Messa a terra a punto singolo: separare la massa analogica dalla massa digitale
Piano di massa: fornisce un potenziale di massa di riferimento stabile
Collegamento del pad termico: collegato direttamente al pin GND
Dettagli chiave del layout
Layout della sezione di ingresso
Resistenze di ingresso posizionate <5 mm dai pin del chip
Evitare l'instradamento parallelo delle linee di segnale di ingresso e di uscitaSchermare i segnali di ingresso sensibili con tracce di massa
Layout della sezione di alimentazione
Larghezza della traccia di alimentazione ≥0,5 mm (per una corrente di 1 A)
Posizionare i condensatori di disaccoppiamento sullo stesso strato del chip
Sequenza di filtraggio dell'alimentazione: condensatori grandi prima dei condensatori piccoli
Layout della sezione di uscita
Posizionare le resistenze pull-up vicino ai pin di uscita
Determinare la larghezza della traccia di uscita in base alla corrente di carico
Impedire ai segnali di uscita di causare diafonia agli ingressi
Misure anti-interferenza
1. Soppressione del rumore
Condensatori piccoli paralleli ai pin di ingresso per il filtraggio (opzionale)
Circondare i segnali critici con piani di massa
Evitare l'instradamento sotto cristalli o alimentatori switching
2. Gestione termica
Utilizzare completamente il pad termico per la dissipazione del calore
Aggiungere vias termici per applicazioni ad alta potenza
Mantenere il flusso d'aria attorno ai componenti
Considerazioni sulla progettazione della produzione
Producibilità
La spaziatura dei componenti soddisfa i requisiti di saldatura
Punti di test accessibili per i test in circuito
Etichettatura chiara della serigrafia per i segnali critici
Garanzia di affidabilità
Le dimensioni dei pad sono conformi agli standard IPC
Evitare tracce ad angolo acuto
Garantire una spaziatura sufficiente delle tracce
Questa soluzione di layout garantisce prestazioni ottimali dell'LM393P in vari scenari applicativi ottimizzando l'integrità del segnale, l'integrità dell'alimentazione e la gestione termica, rendendola particolarmente adatta per circuiti di misurazione ad alta precisione sensibili al rumore.
V
I. Guida alla progettazione del layout dei pad del PCB e della maschera di saldatura
Specifiche chiave del layout dei padParametri dimensionali di base
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Numero di pin: layout standard a 8 pin
Larghezza del pad: 0,55 mm (soddisfa i requisiti di contatto dei pin)
Larghezza del pin: 0,6 mm (0,024 pollici)
Lunghezza del pad: 1,55 mm (0,061 pollici)
Requisiti di simmetria
Layout completamente simmetrico basato sulla linea centrale
Tutte le tolleranze dimensionali: ±0,05 mm (0,002 pollici)
Garantire una distribuzione uniforme del calore durante la saldatura
Specifiche di progettazione della maschera di saldatura
Non definito dalla maschera di saldatura (NSMD) - Soluzione consigliata
Struttura del pad: pad metallico completamente esposto Dimensione dell'apertura: apertura della maschera di saldatura 0,07 mm più grande del pad (per lato) Vantaggi: riduce la concentrazione di sollecitazioni, migliora l'affidabilità della saldatura
Pad metallici completamente esposti
Tolleranza dell'apertura: massimo 0,07 mm (tutte le direzioni)
Copertura metallica: il metallo si estende ≥0,07 mm sotto la maschera di saldatura
Precisione di allineamento: garantisce la completa esposizione del pad
Requisiti di metallizzazione
Struttura metallica del pad
Materiale di base: lamina di rame del PCB (spessore consigliato 1 oz)
Finitura superficiale: ENIG/Oro a immersione/Argento a immersione (selezionato per applicazione)
Forma del pad: rettangolare con raggio d'angolo di 0,05 mm
Ottimizzazione delle dimensioni dell'apertura
Larghezza: 90-100% della larghezza del pin
Lunghezza: uguale o leggermente inferiore alla lunghezza del pad
Spessore dello stencil: 0,1-0,15 mm (4-6 mil)
Parametri di processo
Tipo di pasta saldante: pasta saldante senza piombo a grana fine di tipo III
Precisione di stampa: tolleranza di allineamento di ±0,05 mm
Profilo di rifusione: processo di rifusione SMT standard
Punti di verifica della progettazione
Controllo della producibilità
La spaziatura dei pad soddisfa i requisiti minimi di distanza elettrica
La larghezza del ponte della maschera di saldatura ≥0,1 mm garantisce l'affidabilità dell'isolamento
Le marcature della serigrafia sono chiare e non coprono i pad
Verifica dell'affidabilità
Test di ciclo termico: certificato secondo gli standard JEDEC
La resistenza dei giunti saldati supera i test di trazione IPC
Qualità della saldatura: i giunti saldati soddisfano i requisiti IPC-A-610 Classe 2/3
Considerazioni sull'applicazione
Instradamento ad alta densità
Progettazione NSMD consigliata per l'instradamento di tracce sottili
Consente una traccia di segnale da 0,15 mm tra i pin
Mantenere una spaziatura minima delle tracce di 0,2 mm
Miglioramento termico
Aggiungere vias termici con diametro di 0,3 mm nell'area del pad termico
Espandere l'area di dissipazione del calore con colata di rame sul retro
Considerare la corrispondenza CTE per applicazioni ad alta temperatura
Questa guida alla progettazione fornisce specifiche tecniche complete per il layout dei pad e la maschera di saldatura per l'LM393P, garantendo alti tassi di rendimento nella produzione di massa e affidabilità a lungo termine, rendendola particolarmente adatta per i processi di produzione SMT automatizzati.
VII. Guida alla progettazione del layout del PCB e dell'apertura dello stencil
Specifiche del layout dei pad
Parametri dimensionali di base
Passo dei pin: spaziatura standard di 6 × 1,27 mm
Larghezza del pad: 0,55 mm (soddisfa i requisiti di contatto dei pin)
Lunghezza del pad: 1,80 mm (fornisce un'area di saldatura sufficiente)
Campata complessiva: 7,40 mm (larghezza totale del package)
Requisiti delle caratteristiche geometriche
Mantenere uno spazio libero di 0,60 mm tra i bordi dei pad
Implementare angoli arrotondati per evitare la concentrazione di sollecitazioni agli angoli acuti
Garantire un layout simmetrico per una saldatura uniforme
Specifiche dimensionali dell'apertura dello stencil
Lunghezza dell'apertura dello stencil: 1,75 mm Larghezza dell'apertura dello stencil: 0,55 mm Rapporto apertura-pad: corrispondenza 1:1
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Configurazione dei parametri di processo
Spessore dello stencil: 0,10-0,15 mm consigliato
Tolleranza dell'apertura: ±0,05 mm
Rilascio della pasta saldante: garantire un'efficienza di trasferimento >90%
Punti chiave della progettazione della maschera di saldatura
Non definito dalla maschera di saldatura (NSMD)
Apertura della maschera di saldatura 0,07 mm più grande del pad (uniforme su tutti i lati)
Pad metallici completamente esposti senza copertura della maschera di saldatura
Riduce la concentrazione di sollecitazioni e migliora l'affidabilità della saldatura
Requisiti di precisione di allineamento
Offset del centro della maschera di saldatura rispetto al pad ≤0,05 mm
Larghezza del ponte della maschera di saldatura ≥0,15 mm, garantendo l'affidabilità dell'isolamento
Controllo del processo di produzione
Parametri del processo di stampa
Tipo di pasta saldante: senza piombo a grana fine di tipo III
Pressione del raschietto: 4-6 kgf, angolo di 45-60°
Velocità di stampa: movimento uniforme di 20-40 mm/s
Standard di controllo qualità
Criteri di accettazione
Tasso di riempimento del giunto saldato ≥75%
Nessun difetto di bridging o saldatura fredda
Tolleranza di allineamento pin-pad ±0,1 mm
Metodi di ispezione
Ispezione della pasta saldante 2D/3D (SPI)
Analisi della qualità dei giunti saldati a raggi X
Ispezione ottica automatizzata (AOI)
Questa guida alla progettazione fornisce parametri di processo completi e standard di controllo qualità per la produzione di massa dell'LM393P, garantendo una qualità di saldatura stabile e un'eccellente affidabilità a lungo termine nell'alta velocità
produzione SMT.
VIII. Analisi del layout dei pad del PCB e della progettazione della maschera di saldatura
Parametri principali del layout dei pad
Specifiche dimensionali di base
Numero di pin: configurazione standard a 8 pin
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Larghezza del pad: 0,45 mm (soddisfa i requisiti di contatto dei pin standard)
Lunghezza del pad: 1,5 mm (fornisce un'area di saldatura sufficiente)
Passo dei pin: 0,65 mm (progettazione del passo standard)
Campata del package: 5,8 mm (layout simmetrico complessivo)
Requisiti di progettazione della simmetria
Layout completamente simmetrico basato sulla linea centrale
Mantenere rigorosi rapporti proporzionali per tutte le dimensioni
Garantire una distribuzione uniforme del calore durante la saldatura
Standard di progettazione della maschera di saldatura
Non definito dalla maschera di saldatura (NSMD) - Soluzione consigliata
Caratteristiche strutturali:
Pad metallici completamente esposti
Aperture della maschera di saldatura più grandi delle dimensioni del pad
Il metallo si estende sotto lo strato della maschera di saldatura
Definito dalla maschera di saldatura (SMD) - Soluzione alternativa
Le aperture della maschera di saldatura corrispondono con precisione alle dimensioni del pad
Adatto per progetti di instradamento ad alta densità
Richiede un controllo del processo più rigoroso
Punti chiave del processo di produzione
Raccomandazioni per la progettazione dello stencil
Dimensione dell'apertura: rapporto 1:1 rispetto alle dimensioni del pad
Spessore dello stencil: intervallo standard di 0,10-0,15 mm
Precisione dell'apertura: controllo della tolleranza di ±0,02 mm
Garanzia della qualità della saldatura
Utilizzare pasta saldante a grana fine di tipo III
Temperatura di picco di rifusione consigliata 245-255°C
Velocità di raffreddamento controllata a 2-4°C/secondo
Standard di verifica della progettazione
Controllo della producibilità
La spaziatura dei pad soddisfa i requisiti minimi di distanza elettrica
La larghezza del ponte della maschera di saldatura ≥0,1 mm garantisce l'affidabilità dell'isolamento
Le marcature della serigrafia sono chiare e non coprono i pad
Verifica dell'affidabilità
I test di ciclo termico sono conformi agli standard JEDEC
La resistenza dei giunti saldati supera i test di trazione IPC
L'ispezione visiva soddisfa i requisiti IPC-A-610 Classe 2/3
Questa guida alla progettazione fornisce specifiche tecniche complete per il layout dei pad e la maschera di saldatura per l'LM393P, garantendo alti tassi di rendimento nella produzione di massa e affidabilità a lungo termine, rendendola particolarmente adatta per i requisiti dei processi di produzione SMT automatizzati.

