고정밀 비교기 LM193DR의 설계 분석

^{2025년 10월 18일 — 산업 자동화 및 자동차 전자 시스템의 복잡성이 증가함에 따라 주요 신호 처리 구성 요소의 환경 적응성과 작동 안정성에 대한 요구가 높아지고 있습니다. 열악한 환경 애플리케이션을 해결하는 솔루션 중 하나인 LM193DR 이중 전압 비교기는 -55°C ~ +125°C의 확장된 산업 온도 범위와 ±1mV(일반)의 낮은 입력 오프셋 전압을 통해 항공우주 제어, 자동차 모터 드라이브 및 고정밀 산업용 감지 시스템을 위한 안정적인 전압 감지 및 신호 비교 기능을 제공합니다.}

 

 

^{I. 칩 소개}

 

^{LM193DR은 두 개의 독립적인 정밀 전압 비교기를 통합한 모놀리식 집적 회로입니다. SOIC-8 패키지에 내장된 이 장치는 TTL, CMOS 및 MOS 논리 인터페이스와의 직접적인 호환성을 유지하면서 낮은 전력 소비, 높은 정확도 및 매우 넓은 작동 온도 범위를 제공합니다.}

 

^{핵심 기능 및 장점:}

^{매우 넓은 온도 범위: -55°C ~ +125°C에서 전체 작동}

^{낮은 입력 오프셋 전압: 일반적으로 ±1mV, 최대 ±2mV}

^{낮은 입력 바이어스 전류: 일반적으로 25nA}

^{넓은 작동 전압 범위: 단일 공급 2~36V}

^{저전력 설계: 비교기당 대기 전류 약 0.8mA}

 

^{일반적인 응용 분야:}

^{항공우주 제어 시스템}

^{자동차 전자 제어 장치(ECU)}

^{산업 공정 제어 장비}

^{고정밀 센서 인터페이스}

 

 

II. 단일 비교기 기능 블록 다이어그램 분석

 

^{핵심 아키텍처 개요
LM193DR은 고전적인 바이폴라 트랜지스터 아키텍처를 사용하며 각 비교기는 완전한 차동 입력 스테이지, 이득 스테이지 및 출력 스테이지로 구성되어 넓은 온도 범위에서 안정적인 비교 정확도를 보장합니다.}

 

 

 

^{주요 기능 모듈 분석}

^{1. 입력 차동 증폭기 단계}

^{핵심 구조: Q1 및 Q2는 PNP 차동 입력 쌍을 형성합니다.}

^{바이어스 설계: Q15는 정전류원을 구성하여 안정적인 작동 전류를 제공합니다.}

^{보호 메커니즘:}

^{D3 및 D4는 입력 클램프 보호를 구현합니다.}

^{공통 모드 전압 제한 회로}

 

^{성능 특성:}

^{입력 바이어스 전류: 일반적으로 25nA}

^{입력 오프셋 전압: 일반적으로 ±1mV}

^{공통 모드 입력 범위에는 접지 전위가 포함됩니다.}

 

^{2. 바이어스 및 기준 네트워크}

^{전류 미러 구조: Q9-Q12 및 Q14는 정밀 바이어스 회로를 형성합니다.}

^{온도 보상: 내장된 보상 기능으로 전체 온도 범위에서 안정성 보장}

^{레벨 전환: D1 및 D2는 안정적인 전압 레퍼런스를 제공합니다.}

 

^{3. 중간 이득 단계}

^{증폭기 회로: Q3, Q4 등이 공통 이미터 증폭기 스테이지를 형성합니다.}

^{기능적 구현:}

^{1차 전압 이득 제공}

^{차동 신호를 단일 종단 신호로 변환합니다.}

^{출력단 작동을 구동합니다.}

 

^{4. 출력 드라이버 단계}

^{출력 구조: 오픈 컬렉터 출력 설계}

^{핵심 구성 요소: Q13은 출력 드라이버 트랜지스터 역할을 합니다.}

^{보호 회로: 통합 ESD 보호}

^{주요 특징:}

^{출력 포화 전압: 일반적으로 130mV}

^{TTL/CMOS 로직 레벨과 호환 가능}

^{외부 풀업 저항 필요}

 

^{신호 경로 분석}

^{비반전 입력 → Q2 → 레벨 시프팅 → 게인 스테이지 → 출력 드라이버 반전 입력 → Q1 → 레벨 시프팅 → 게인 스테이지 → 출력 드라이버}

 

^{주요 성능 매개변수}

^{정밀도 특성}

^{전압 이득: 일반적으로 200V/mV}

^{응답 시간: 1.3μs(Vcc=5V)}

^{입력 공통 모드 범위: 0V~Vcc-1.5V}

 

^{신뢰성 특성}

^{작동 온도: -55℃ ~ +125℃}

^{ESD 보호: >2000V}

^{장기 안정성: <0.5μV/월}

 

^{디자인 장점 요약}

^{이 아키텍처는 고신뢰성 아날로그 집적 회로의 설계 철학을 구현합니다.}

^{환경 적응성: 넓은 온도 범위에서 안정적인 성능을 유지합니다.}

^{정밀도 보증: 정교한 바이어스 및 보상 설계}

^{시스템 호환성: 유연한 인터페이스 및 출력 구성}

^{안정적인 작동: 포괄적인 내장 보호 메커니즘}

 

^{이 기능 블록 다이어그램은 극한 환경에서 LM193DR의 작동 원리를 이해하기 위한 기술적 기반을 제공하므로 항공우주 및 자동차 전자 장치와 같은 고신뢰성 애플리케이션 시나리오의 설계 검증에 특히 적합합니다.}

 

 

III. PCB 레이아웃 설계 가이드

 

핀 구성 및 기능 분석

 

 

 

^{핀 기능 세부사항:}

^{핀 1(1OUT): 비교기 A 출력
오픈 컬렉터 출력, 외부 풀업 저항 필요}

^{핀 2(1IN-): 비교기 A 반전 입력}

^{핀 3(1IN+): 비교기 A 비반전 입력}

^{핀 4(GND): 접지 단자}

^{핀 5(2IN+): 비교기 B 비반전 입력}

^{핀 6(2IN-): 비교기 B 반전 입력}

^{핀 7(2OUT): 비교기 B 출력}

^{핀 8(Vcc): 양극 공급(2~36V)}

 

^{PCB 레이아웃 핵심 포인트}

^{입력 신호 처리}

^{장치 가까이에 배치된 입력 저항: 2mm 이내 거리 제어}

^{대칭 레이아웃: 차동 신호는 동일한 길이의 트레이스 설계를 사용합니다.}

^{차폐 보호: 접지 트레이스로 둘러싸인 민감한 입력 신호}

 

^{전원 공급 장치 분리 설계}

^{핀에서 3mm 미만으로 배치된 디커플링 커패시터}

^{전력 트레이스 폭 ≥0.5mm}

^{구역화 레이아웃 전략}

 

^{1. 입력 신호 영역}

^{해당 핀에 인접한 입력 필터 구성 요소}

^{입력 및 출력 라인의 병렬 라우팅 방지}

^{접지면으로 절연된 고주파 신호}

 

^{2. 전원 관리 구역}

^{엇갈린 층에 배치된 디커플링 커패시터}

^{민감한 신호로부터 멀리 떨어진 전력선}

^{완전한 지상 복귀 경로 보장}

 

^{3. 출력 드라이브 존}

^{출력 핀 가까이에 배치된 풀업 저항}

^{부하 전류에 따라 설계된 출력 트레이스 폭}

^{디버깅 편의를 위해 예약된 테스트 포인트}

 

^{간섭 방지 설계 조치}

^{소음 억제}

^{중요한 입력 핀의 병렬 소형 커패시터(10-100pF)}

^{신호 라인은 클록 및 스위칭 전원 공급 장치에서 멀리 떨어져 있습니다.}

^{완전한 접지면 사용}

 

^{열 관리 설계}

^{방열을 위해 PCB 동박을 최대한 활용}

^{고온 애플리케이션에 열 비아 추가}

^{구성 요소 주위에 적절한 공간을 유지하십시오.}

 

^{제조 공정 요구 사항}

^{제조를 위한 설계}

^{패드 치수는 IPC-7351 표준을 준수합니다.}

^{구성 요소 간격은 자동화된 생산 요구 사항을 충족합니다.}

^{핀 기능의 명확한 실크스크린 식별}

 

^검사기준

^{솔더 조인트 품질: IPC-A-610 클래스 2}

^{정렬 정확도: ±0.1mm}

^{동일 평면성: 핀 높이 변화 ≤0.1mm}

 

^{이 레이아웃 솔루션은 신호 무결성, 전력 무결성 및 열 관리를 최적화하고 항공우주, 자동차 전자 장치 및 기타 높은 표준 애플리케이션의 까다로운 요구 사항을 충족함으로써 -55℃ ~ +125℃의 전체 온도 범위에서 LM193DR의 안정적인 작동을 보장합니다.}

 

 

^{IV. PCB 패드 레이아웃 및 솔더 마스크 설계 가이드}

 

^{코어 패드 레이아웃 사양}

^{기본 치수 매개변수}

^{핀 수: 8핀 표준 구성}

^{패드 너비: 0.45mm(핀 치수와 정확히 일치)}

^{패드 길이: 1.5mm(충분한 납땜 영역 제공)}

^{핀 피치: 0.65mm(표준 피치 설계)}

^{패키지 폭: 5.8mm(전체 대칭 레이아웃)}

 

^{대칭 설계 요구 사항}

^{중심선을 기준으로 한 완전 대칭 레이아웃}

^{모든 치수는 엄격한 제조 공차를 유지합니다.}

^{납땜 중 균일한 열 분포 보장}

 

^{솔더 마스크 설계 표준
NSMD(Non-Solder Mask Defined) - 권장 솔루션}

^{구조적 특징:}

^{금속 패드가 완전히 노출됨}

^{패드 치수보다 큰 솔더 마스크 개구부}

^{측면당 패드보다 0.05mm 더 큰 솔더 마스크 개구부}

 

^{장점 특성:}

^{스트레스 집중 감소}

^{납땜 신뢰성 향상}

^{프로세스 제어를 용이하게 합니다.}

 

^{SMD(Solder Mask Defined) - 대체 솔루션}

^{솔더 마스크 개구부는 패드 치수와 정확하게 일치합니다.}

^{솔더 마스크로 부분적으로 덮인 금속층}

^{고밀도 라우팅 설계에 적합}

 

^{주요 설계 매개변수
치수 공차 제어}

^{패드 위치 공차: ±0.05mm}

^{솔더 마스크 정렬 정확도: ±0.05mm}

^{전체 대칭 편차: ≤0.1mm}

 

^{금속층 사양}

^{기본 동박 두께: 1oz (35μm)}

^{권장 표면 마감: ENIG/Immersion Gold}

^{패드 가장자리 둥근 모서리 처리}

 

^{제조 공정 요구 사항
스텐실 디자인 매개변수}

^{폭: 0.4~0.45mm(핀 폭의 90~100%)}

^{길이: 1.4-1.5mm}

^{스텐실 두께: 0.1-0.15mm}

 

^{납땜 공정 제어}

^{솔더 페이스트 유형: 유형 III 무연}

^{리플로우 피크 온도: 245-255°C}

^{가열 속도: 1-3°C/초}

 

^{품질검증기준
제조 가능성 확인}

^{패드 간격 ≥0.2mm}

^{솔더 마스크 브리지 폭 ≥0.1mm}

^{패드 간격 ≥0.1mm에 실크스크린}

 

^{신뢰성 검증}

^{열주기 테스트: -55℃ ~ 125℃}

^{납땜 접합 강도: IPC-9701 준수}

^{육안 검사: IPC-A-610 클래스 2/3 충족}

 

^{이 설계 가이드는 항공우주 및 자동차 전자 장치와 같은 고신뢰성 애플리케이션에서 LM193DR의 PCB 설계에 대한 포괄적인 기술 사양을 제공하여 열악한 환경에서 장기적으로 안정적인 작동을 보장합니다.}

 

 

V. 패키지 크기 및 구조 분석

 

 

^{패키지 개요의 주요 치수}

^{주요 프로필 치수}

^{패키지 길이: 1.90 - 2.10mm}

^{패키지 폭: 0.70 - 0.80mm}

^{패키지 높이: 0.18 - 0.32mm(핀 두께)}

^{안착면: 0.08mm 기준면}

 

 

 

^{핀 구조 매개변수}

^{핀 폭: 0.18 - 0.32mm}

^{핀 길이: 0.20 - 0.40mm}

^{핀 피치: 6×0.50mm 표준 간격}

^{측벽 금속 두께: 0.10mm 일반 값}

 

^{특별한 구조적 특징}

^{핀 1 식별 영역}

^{45° 모따기 디자인, 폭 0.25mm}

^{명확한 극성 식별 제공}

^{자동화된 광학 검사를 촉진합니다.}

 

^{열 패드 디자인}

^{노출형 열 패드: 패키지 하단에 위치}

^{열 강화 구조: 전력 손실 성능 향상}

^{납땜 요구 사항: PCB와의 양호한 접촉이 필요합니다.}

 

^{핀 모양 옵션}

^{옵션 1: 표준 걸윙 리드}

^{옵션 2: 대체 터미널 모양}

 

^{치수 공차 제어}

^{기본 치수: ±0.05mm 표준 공차}

^{중요 치수: ±0.10mm 엄격한 공차}

^{누적 공차: 최대 편차 0.050mm}

 

^{PCB 설계 적응 지침}

^{패드 디자인 권장사항}

^{패드 폭: 0.22 - 0.32mm(핀 치수 일치)}

^{패드 길이: 0.70 - 0.91mm}

^{간격 유지: 0.18mm 최소 간격}

 

^{열 관리 설계}

^{열 패드 영역의 전체 구리 커버리지}

^{열 비아 어레이의 권장 사용}

^{효율적인 열 전도 경로 보장}

 

^{품질검증기준}

^{육안 검사 요구 사항}

^{리드 동일 평면성: ≤ 0.10mm}

^{패드 정렬 정확도: ± 0.05mm}

^{표면 처리 무결성: 산화 없음, 오염 없음}

 

^{신뢰성 테스트}

^{온도 사이클링: -55℃ ~ +125℃}

^{기계적 강도: JEDEC 표준 준수}

^{솔더 품질: IPC-A-610 인증}

 

^{이 패키지 치수 분석은 열악한 환경에서 LM193DR의 PCB 설계에 대한 정밀한 기계적 참조를 제공하여 신뢰성이 높은 애플리케이션에서 안정적인 기계적 고정과 효율적인 열 관리를 보장합니다.}

 

 

^{6. 핀 구성 및 기능 분석}

 

^{패키지 유형 개요}

^{표준 8핀 패키지: SOIC, VSOP, PDIP 및 TSSOP를 포함한 다양한 패키지 형식 지원}

^{열 성능이 강화된 패키지: 일부 모델에는 열 방출 개선을 위해 하단 열 패드가 장착되어 있습니다.}

 

^{자세한 핀 기능 설명}

^{채널 1 비교기 핀}

^{핀 1(1OUT): 비교기 A 출력}

^{오픈 컬렉터 출력 구조}

^{외부 풀업 저항 필요}

^{출력 포화 전압: 400mV(표준)}

 

^{핀 2(1IN-): 비교기 A 반전 입력}

^{고임피던스 입력: 0.3MΩ(일반)}

^{입력 바이어스 전류: 500nA(최대)}

 

^{핀 3(1IN+): 비교기 A 비반전 입력}

^{입력 공통 모드 범위: 0V~Vcc-1.5V}

 

^{채널 2 비교기 핀}

^{핀 7(2OUT): 비교기 B 출력}

^{1OUT과 동일한 오픈 컬렉터 구조}

^{다양한 부하를 독립적으로 구동 가능}

 

^{핀 6(2IN-): 비교기 B 반전 입력}

^{핀 5(2IN+): 비교기 B 비반전 입력}

 

^{전원 관리 핀}

^{핀 8(Vcc/V+):양극 공급 입력}

^{작동 전압 범위: 2~36V}

^{단일 또는 이중 공급 구성과 호환 가능}

 

^{핀 4(GND):접지/음극 공급 단자}

^{단일 공급 모드에서 시스템 접지에 연결됨}

^{이중 공급 모드에서 음극 공급 레일에 연결됨}

 

방열판 패드 구성

 

 

^{주요 설계 요구 사항}

^{GND 핀(핀 4)에 직접 연결해야 합니다.}

^{PCB는 열 방출을 위해 충분한 구리 영역을 제공해야 합니다.}

^{열 방출을 강화하려면 열 비아를 권장합니다.}

 

^{전기적 특성 매개변수}

^{비교기 성능}

^{응답 시간: 일반 1.3μs(5mV 오버드라이브)}

^{입력 오프셋 전압: 최대 ±2mV}

^{전압 이득: 일반 200V/mV}

 

운영 환경

온도 범위: -55℃ ~ +125℃

대기 전류: 0.8mA/비교기(일반)

 

^{디자인 애플리케이션 노트}

^{출력 구성 권장 사항}

^{풀업 저항 값: 1kΩ~10kΩ}

^{최대 싱크 전류: 16mA(절대 최대)}

^{출력을 병렬로 연결하여 유선 AND 논리 구현 가능}

 

^{전원 공급 장치 분리 요구 사항}

^{0.1μF 세라믹 커패시터는 Vcc 핀 가까이에 배치해야 합니다.}

^{고주파 애플리케이션에는 추가 10μF 전해 커패시터 권장}

 

^{이 핀 구성 분석은 산업 제어 및 자동차 전자 장치와 같은 열악한 환경에서 LM193DR의 회로 설계에 대한 포괄적인 기술 참조를 제공하여 안정적이고 신뢰할 수 있는 전압 비교 기능을 보장합니다.}