高精度コンパレータLM193DRの設計解析

^{2025年10月18日 — 産業オートメーションおよび自動車電子システムの複雑さが増す中、主要な信号処理コンポーネントの環境適応性と動作安定性に対する需要が高まっています。過酷な環境アプリケーションに対応するソリューションの1つとして、LM193DRデュアル電圧コンパレータは、-55℃～+125℃の拡張産業用温度範囲と、最大±1 mV（標準）の低い入力オフセット電圧を備え、航空宇宙制御、自動車用モータードライブ、高精度産業用センシングシステム向けに信頼性の高い電圧検出と信号比較機能を提供します。}

 

 

^{I. チップ紹介}

 

^{LM193DRは、2つの独立した高精度電圧コンパレータを内蔵したモノリシック集積回路です。SOIC-8パッケージに収容されており、低消費電力、高精度、超広範囲の動作温度範囲を特徴とし、TTL、CMOS、MOSロジックインターフェースとの直接互換性を維持しています。}

 

^{主な機能と利点:}

^{超広範囲温度範囲：-55℃～+125℃での完全動作}

^{低入力オフセット電圧：標準±1mV、最大±2mV}

^{低入力バイアス電流：標準25nA}

^{広い動作電圧範囲：単一電源2V～36V}

^{低消費電力設計：静止電流は約0.8mA/コンパレータ}

 

^{代表的なアプリケーション分野:}

^{航空宇宙制御システム}

^{自動車電子制御ユニット（ECU）}

^{産業用プロセス制御機器}

^{高精度センサーインターフェース}

 

 

II. シングルコンパレータ機能ブロック図分析

 

^{コアアーキテクチャの概要
LM193DRは、各コンパレータが完全な差動入力段、ゲイン段、および出力段で構成される、古典的なバイポーラトランジスタアーキテクチャを採用しており、広い温度範囲にわたって安定した比較精度を保証します。}

 

 

 

^{主な機能モジュールの分析}

^{1. 入力差動増幅段}

^{コア構造：Q1とQ2がPNP差動入力ペアを形成}

^{バイアス設計：Q15が定電流源を構成し、安定した動作電流を提供}

^{保護メカニズム:}

^{D3とD4が入力クランプ保護を実装}

^{コモンモード電圧制限回路}

 

^{性能特性:}

^{入力バイアス電流：標準25nA}

^{入力オフセット電圧：標準±1mV}

^{コモンモード入力範囲にはグランド電位が含まれる}

 

^{2. バイアスおよびリファレンスネットワーク}

^{カレントミラー構造：Q9-Q12およびQ14が精密バイアス回路を形成}

^{温度補償：内蔵補償により、全温度範囲にわたる安定性を確保}

^{レベルシフト：D1とD2が安定した電圧リファレンスを提供}

 

^{3. 中間ゲイン段}

^{増幅回路：Q3、Q4などが共通エミッタ増幅段を形成}

^{機能実装:}

^{一次電圧ゲインを提供する}

^{差動信号をシングルエンド信号に変換する}

^{出力段の動作を駆動する}

 

^{4. 出力ドライバ段}

^{出力構造：オープンコレクタ出力設計}

^{コアコンポーネント：Q13が出力ドライバトランジスタとして機能}

^{保護回路：ESD保護を内蔵}

^{主な機能:}

^{出力飽和電圧：標準130mV}

^{TTL/CMOSロジックレベルと互換性あり}

^{外部プルアップ抵抗が必要}

 

^{信号パス分析}

^{非反転入力 → Q2 → レベルシフト → ゲイン段 → 出力ドライバ反転入力 → Q1 → レベルシフト → ゲイン段 → 出力ドライバ}

 

^{主な性能パラメータ}

^精度特性

^{電圧ゲイン：標準200V/mV}

^{応答時間：1.3μs（Vcc=5V）}

^{入力コモンモード範囲：0V～Vcc-1.5V}

 

^{信頼性特性}

^{動作温度：-55℃～+125℃}

^{ESD保護：>2000V}

^{長期安定性：<0.5μV/月}

 

^{設計上の利点のまとめ}

^{このアーキテクチャは、高信頼性アナログ集積回路の設計思想を体現しています:}

^{環境適応性：広い温度範囲にわたって安定した性能を維持}

^{精度保証：洗練されたバイアスおよび補償設計}

^{システム互換性：柔軟なインターフェースと出力構成}

^{信頼性の高い動作：包括的な内蔵保護メカニズム}

 

^{この機能ブロック図は、LM193DRの過酷な環境における動作原理を理解するための技術的基盤を提供し、航空宇宙や自動車エレクトロニクスなどの高信頼性アプリケーションシナリオにおける設計検証に特に適しています。}

 

 

III. PCBレイアウト設計ガイド

 

ピン構成と機能分析

 

 

 

^{ピン機能の詳細:}

^{ピン1（1OUT）：コンパレータA出力
オープンコレクタ出力、外部プルアップ抵抗が必要}

^{ピン2（1IN-）：コンパレータA反転入力}

^{ピン3（1IN+）：コンパレータA非反転入力}

^{ピン4（GND）：グランド端子}

^{ピン5（2IN+）：コンパレータB非反転入力}

^{ピン6（2IN-）：コンパレータB反転入力}

^{ピン7（2OUT）：コンパレータB出力}

^{ピン8（Vcc）：正電源（2V～36V）}

 

^{PCBレイアウトの主要ポイント}

^{入力信号処理}

^{入力抵抗はデバイスの近くに配置：距離は2mm以内に制御}

^{対称レイアウト：差動信号は等長トレース設計を使用}

^{シールド保護：敏感な入力信号はグランドトレースで囲む}

 

^{電源デカップリング設計}

^{デカップリングコンデンサはピンから<3mmの位置に配置}

^{電源トレース幅 ≥0.5mm}

^{ゾーニングレイアウト戦略}

 

^{1. 入力信号ゾーン}

^{入力フィルタコンポーネントは対応するピンに隣接}

^{入力線と出力線の並列配線を避ける}

^{高周波信号はグランドプレーンで分離}

 

^{2. 電源管理ゾーン}

^{デカップリングコンデンサは互い違いの層に配置}

^{電源線は敏感な信号から離して配線}

^{完全なグランドリターンパスを確保}

 

^{3. 出力ドライブゾーン}

^{プルアップ抵抗は出力ピンの近くに配置}

^{出力トレース幅は負荷電流に応じて設計}

^{デバッグの便宜のためにテストポイントを確保}

 

^{干渉防止設計対策}

^{ノイズ抑制}

^{重要な入力ピンに並列の小型コンデンサ（10～100pF）}

^{信号線はクロックとスイッチング電源から離して配置}

^{完全なグランドプレーンの使用}

 

^{熱管理設計}

^{PCB銅箔を最大限に活用して放熱}

^{高温アプリケーションではサーマルビアを追加}

^{コンポーネントの周囲に十分なスペースを確保}

 

^{製造プロセス要件}

^{製造向け設計}

^{パッド寸法はIPC-7351規格に準拠}

^{コンポーネントの間隔は自動生産要件を満たす}

^{ピン機能を明確にシルクスクリーンで識別}

 

^検査基準

^{はんだ接合部の品質：IPC-A-610クラス2}

^{アライメント精度：±0.1mm}

^{共面性：ピン高さの変動 ≤0.1mm}

 

^{このレイアウトソリューションは、信号インテグリティ、電源インテグリティ、および熱管理を最適化することにより、-55℃～+125℃の全温度範囲にわたるLM193DRの安定した動作を保証し、航空宇宙、自動車エレクトロニクス、およびその他の高水準アプリケーションの厳しい要件を満たします。}

 

 

^{IV. PCBパッドレイアウトおよびソルダーマスク設計ガイド}

 

^{コアパッドレイアウト仕様}

^{基本寸法パラメータ}

^{ピン数：8ピン標準構成}

^{パッド幅：0.45mm（ピン寸法に正確に一致）}

^{パッド長：1.5mm（十分なはんだ付け面積を提供する）}

^{ピンピッチ：0.65mm（標準ピッチ設計）}

^{パッケージスパン：5.8mm（全体的な対称レイアウト）}

 

^{対称設計要件}

^{中心線に基づく完全対称レイアウト}

^{すべての寸法は厳格な製造公差を維持}

^{はんだ付け中の均一な熱分布を確保}

 

^{ソルダーマスク設計規格
非ソルダーマスク定義（NSMD）- 推奨ソリューション}

^{構造的特徴:}

^{金属パッドが完全に露出}

^{ソルダーマスク開口部はパッド寸法より大きい}

^{ソルダーマスク開口部はパッドより片側0.05mm大きい}

 

^{利点特性:}

^{応力集中を軽減}

^{はんだ付けの信頼性を向上}

^{プロセス制御を容易にする}

 

^{ソルダーマスク定義（SMD）- 代替ソリューション}

^{ソルダーマスク開口部はパッド寸法に正確に一致}

^{金属層はソルダーマスクで部分的に覆われている}

^{高密度配線設計に適しています}

 

^{主要設計パラメータ
寸法公差管理}

^{パッド位置公差：±0.05mm}

^{ソルダーマスクアライメント精度：±0.05mm}

^{全体的な対称性偏差：≤0.1mm}

 

^{金属層仕様}

^{ベース銅箔厚：1oz（35μm）}

^{推奨表面仕上げ：ENIG/イマージョンゴールド}

^{パッドエッジの丸み処理}

 

^{製造プロセス要件
ステンシル設計パラメータ}

^{幅：0.4～0.45mm（ピン幅の90～100％）}

^{長さ：1.4～1.5mm}

^{ステンシル厚さ：0.1～0.15mm}

 

^{はんだ付けプロセス制御}

^{はんだペーストの種類：タイプIII鉛フリー}

^{リフローピーク温度：245～255℃}

^{加熱速度：1～3℃/秒}

 

^{品質検証基準
製造可能性チェック}

^{パッド間隔 ≥0.2mm}

^{ソルダーマスクブリッジ幅 ≥0.1mm}

^{シルクスクリーンとパッドの間隔 ≥0.1mm}

 

^{信頼性検証}

^{温度サイクル試験：-55℃～125℃}

^{はんだ接合強度：IPC-9701に準拠}

^{目視検査：IPC-A-610クラス2/3に適合}

 

^{この設計ガイドは、航空宇宙や自動車エレクトロニクスなどの高信頼性アプリケーションにおけるLM193DRのPCB設計に関する包括的な技術仕様を提供し、過酷な環境での長期的な安定動作を保証します。}

 

 

V. パッケージ寸法と構造分析

 

 

^{パッケージ外形図の主要寸法}

^{主なプロファイル寸法}

^{パッケージ長：1.90～2.10mm}

^{パッケージ幅：0.70～0.80mm}

^{パッケージ高さ：0.18～0.32mm（ピン厚さ）}

^{着座面：0.08mm基準面}

 

 

 

^{ピン構造パラメータ}

^{ピン幅：0.18～0.32mm}

^{ピン長：0.20～0.40mm}

^{ピンピッチ：6×0.50mm標準間隔}

^{側壁金属厚さ：0.10mm標準値}

 

^{特別な構造的特徴}

^{ピン1識別エリア}

^{45°面取り設計、幅0.25mm}

^{明確な極性識別を提供する}

^{自動光学検査を容易にする}

 

^{サーマルパッド設計}

^{露出サーマルパッド：パッケージの底面に配置}

^{熱強化構造：放熱能力を向上}

^{はんだ付け要件：PCBとの良好な接触が必要}

 

^{ピン形状オプション}

^{オプション1：標準ガルウィングリード}

^{オプション2：代替端子形状}

 

^{寸法公差管理}

^{主要寸法：±0.05mm標準公差}

^{重要寸法：±0.10mm厳密公差}

^{累積公差：0.050mm最大偏差}

 

^{PCB設計適応ガイドライン}

^{パッド設計の推奨事項}

^{パッド幅：0.22～0.32mm（ピン寸法に一致）}

^{パッド長：0.70～0.91mm}

^{間隔の維持：0.18mm最小クリアランス}

 

^{熱管理設計}

^{サーマルパッドエリアの完全な銅被覆}

^{サーマルビアアレイの使用を推奨}

^{効率的な熱伝導パスを確保}

 

^{品質検証基準}

^{目視検査要件}

^{リードの共面性：≤0.10mm}

^{パッドアライメント精度：±0.05mm}

^{表面処理の完全性：酸化なし、汚染なし}

 

^{信頼性試験}

^{温度サイクル：-55℃～+125℃}

^{機械的強度：JEDEC規格に準拠}

^{はんだ品質：IPC-A-610に認定}

 

^{このパッケージ寸法分析は、過酷な環境におけるLM193DRのPCB設計に関する正確な機械的参照を提供し、高信頼性アプリケーションにおける安定した機械的固定と効率的な熱管理を保証します。}

 

 

^{VI. ピン構成と機能分析}

 

^{パッケージタイプの概要}

^{標準8ピンパッケージ：SOIC、VSOP、PDIP、TSSOPを含む複数のパッケージ形式をサポート}

^{熱強化パッケージ：選択されたモデルは、放熱性を向上させるために底面サーマルパッドを備えています}

 

^{詳細なピン機能の説明}

^{チャネル1コンパレータピン}

^{ピン1（1OUT）：コンパレータA出力}

^{オープンコレクタ出力構造}

^{外部プルアップ抵抗が必要}

^{出力飽和電圧：400mV（標準）}

 

^{ピン2（1IN-）：コンパレータA反転入力}

^{高インピーダンス入力：0.3MΩ（標準）}

^{入力バイアス電流：500nA（最大）}

 

^{ピン3（1IN+）：コンパレータA非反転入力}

^{入力コモンモード範囲：0V～Vcc-1.5V}

 

^{チャネル2コンパレータピン}

^{ピン7（2OUT）：コンパレータB出力}

^{1OUTと同じオープンコレクタ構造}

^{異なる負荷を個別に駆動可能}

 

^{ピン6（2IN-）：コンパレータB反転入力}

^{ピン5（2IN+）：コンパレータB非反転入力}

 

^{電源管理ピン}

^{ピン8（Vcc/V+）：正電源入力}

^{動作電圧範囲：2V～36V}

^{単一またはデュアル電源構成と互換性あり}

 

^{ピン4（GND）：グランド/負電源端子}

^{単一電源モードではシステムグランドに接続}

^{デュアル電源モードでは負電源レールに接続}

 

ヒートシンクパッド構成

 

 

^{主要設計要件}

^{GNDピン（ピン4）に直接接続する必要があります}

^{PCBは放熱のために十分な銅面積を提供する必要があります}

^{放熱を強化するためにサーマルビアを推奨}

 

^{電気的特性パラメータ}

^{コンパレータ性能}

^{応答時間：1.3μs標準（5mVオーバードライブ）}

^{入力オフセット電圧：最大±2mV}

^{電圧ゲイン：200V/mV標準}

 

動作環境

温度範囲：-55℃～+125℃

静止電流：0.8mA/コンパレータ（標準）

 

^{設計アプリケーションノート}

^{出力構成の推奨事項}

^{プルアップ抵抗値：1kΩ～10kΩ}

^{最大シンク電流：16mA（絶対最大）}

^{出力を並列に接続してワイヤードANDロジックを実装可能}

 

^{電源デカップリング要件}

^{0.1μFセラミックコンデンサをVccピンの近くに配置する必要があります}

^{高周波アプリケーションには追加の10μF電解コンデンサを推奨}

 

^{このピン構成分析は、産業用制御や自動車エレクトロニクスなどの過酷な環境におけるLM193DRの回路設計に関する包括的な技術的参照を提供し、安定した信頼性の高い電圧比較機能を保証します。}