Анализ конструкции высокоточного компаратора LM193DR

^{18 октября 2025 г. — На фоне растущей сложности в области промышленной автоматизации и автомобильных электронных систем возрастают требования к адаптивности к окружающей среде и эксплуатационной стабильности ключевых компонентов обработки сигналов. В качестве одного из решений, предназначенных для работы в суровых условиях, сдвоенный компаратор напряжения LM193DR с расширенным промышленным температурным диапазоном от -55°C до +125°C и напряжением смещения на входе всего ±1 мВ (типовое значение) обеспечивает надежное обнаружение напряжения и возможности сравнения сигналов для аэрокосмического управления, автомобильных приводов двигателей и высокоточных промышленных сенсорных систем.}

 

 

^{I. Введение в микросхему}

 

^{LM193DR — это монолитная интегральная схема, которая включает в себя два независимых прецизионных компаратора напряжения. Устройство, выполненное в корпусе SOIC-8, отличается низким энергопотреблением, высокой точностью и сверхшироким рабочим температурным диапазоном, сохраняя при этом прямую совместимость с логическими интерфейсами TTL, CMOS и MOS.}

 

^{Основные характеристики и преимущества:}

^{Сверхширокий температурный диапазон: полная работоспособность от -55°C до +125°C}

^{Низкое напряжение смещения на входе: обычно ±1 мВ, максимум ±2 мВ}

^{Низкий ток смещения на входе: обычно 25 нА}

^{Широкий диапазон рабочего напряжения: однополярное питание от 2 В до 36 В}

^{Конструкция с низким энергопотреблением: ток покоя примерно 0,8 мА на компаратор}

 

^{Типичные области применения:}

^{Системы управления аэрокосмической техники}

^{Электронные блоки управления (ECU) автомобилей}

^{Приборы управления промышленными процессами}

^{Высокоточные интерфейсы датчиков}

 

 

II. Анализ функциональной блок-схемы одного компаратора

 

^{Обзор основной архитектуры
LM193DR использует классическую архитектуру на биполярных транзисторах, при этом каждый компаратор состоит из законченного дифференциального входного каскада, каскада усиления и выходного каскада, что обеспечивает стабильную точность сравнения в широком температурном диапазоне.}

 

 

 

^{Анализ основных функциональных модулей}

^{1. Входной дифференциальный усилительный каскад}

^{Основная структура: Q1 и Q2 образуют дифференциальную входную пару PNP}

^{Схема смещения: Q15 представляет собой источник стабильного тока, обеспечивающий стабильный рабочий ток}

^{Механизмы защиты:}

^{D3 и D4 реализуют защиту от входного зажима}

^{Схема ограничения синфазного напряжения}

 

^{Характеристики производительности:}

^{Ток смещения на входе: обычно 25 нА}

^{Напряжение смещения на входе: обычно ±1 мВ}

^{Диапазон синфазного входного сигнала включает в себя потенциал земли}

 

^{2. Сеть смещения и опорного напряжения}

^{Структура токового зеркала: Q9-Q12 и Q14 образуют прецизионную схему смещения}

^{Температурная компенсация: встроенная компенсация обеспечивает стабильность во всем температурном диапазоне}

^{Сдвиг уровня: D1 и D2 обеспечивают стабильные опорные напряжения}

 

^{3. Промежуточный каскад усиления}

^{Усилительная схема: Q3, Q4 и т. д. образуют усилительный каскад с общим эмиттером}

^{Функциональная реализация:}

^{Обеспечивает основное усиление напряжения}

^{Преобразует дифференциальные сигналы в однополярные}

^{Управляет работой выходного каскада}

 

^{4. Выходной драйверный каскад}

^{Выходная структура: конструкция с открытым коллектором}

^{Основной компонент: Q13 служит выходным драйверным транзистором}

^{Защитная схема: встроенная защита от электростатического разряда}

^{Основные характеристики:}

^{Напряжение насыщения на выходе: обычно 130 мВ}

^{Совместимость с логическими уровнями TTL/CMOS}

^{Требуется внешний подтягивающий резистор}

 

^{Анализ пути сигнала}

^{Неинвертирующий вход → Q2 → Сдвиг уровня → Каскад усиления → Инвертирующий вход драйвера выхода → Q1 → Сдвиг уровня → Каскад усиления → Драйвер выхода}

 

^{Основные параметры производительности}

^{Характеристики точности}

^{Усиление по напряжению: обычно 200 В/мВ}

^{Время отклика: 1,3 мкс (Vcc=5 В)}

^{Диапазон синфазного сигнала на входе: от 0 В до Vcc-1,5 В}

 

^{Характеристики надежности}

^{Рабочая температура: от -55°C до +125°C}

^{Защита от электростатического разряда: >2000 В}

^{Долгосрочная стабильность:<0,5 мкВ/месяц}

 

^{Резюме преимуществ конструкции}

^{Эта архитектура воплощает в себе философию проектирования высоконадежных аналоговых интегральных схем:}

^{Адаптивность к окружающей среде: поддерживает стабильную производительность в широком диапазоне температур}

^{Гарантия точности: сложная конструкция смещения и компенсации}

^{Совместимость системы: гибкий интерфейс и конфигурация выхода}

^{Надежная работа: комплексные встроенные механизмы защиты}

 

^{Эта функциональная блок-схема обеспечивает техническую основу для понимания принципов работы LM193DR в экстремальных условиях, что делает ее особенно подходящей для проверки конструкции в сценариях применения с высокой надежностью, таких как аэрокосмическая и автомобильная электроника.}

 

 

III. Руководство по проектированию компоновки печатной платы

 

Конфигурация выводов и функциональный анализ

 

 

 

^{Подробности о функциях выводов:}

^{Вывод 1 (1OUT): выход компаратора A
Выход с открытым коллектором, требуется внешний подтягивающий резистор}

^{Вывод 2 (1IN-): инвертирующий вход компаратора A}

^{Вывод 3 (1IN+): неинвертирующий вход компаратора A}

^{Вывод 4 (GND): клемма заземления}

^{Вывод 5 (2IN+): неинвертирующий вход компаратора B}

^{Вывод 6 (2IN-): инвертирующий вход компаратора B}

^{Вывод 7 (2OUT): выход компаратора B}

^{Вывод 8 (Vcc): положительное питание (от 2 В до 36 В)}

 

^{Основные моменты компоновки печатной платы}

^{Обработка входного сигнала}

^{Входные резисторы размещаются близко к устройству: расстояние контролируется в пределах 2 мм}

^{Симметричная компоновка: дифференциальные сигналы используют конструкцию трассировки одинаковой длины}

^{Защитное экранирование: чувствительные входные сигналы окружены трассировками заземления}

 

^{Конструкция развязки питания}

^{Развязывающие конденсаторы размещаются <3 мм от выводов}

^{Ширина трассировки питания ≥0,5 мм}

^{Стратегия зонирования компоновки}

 

^{1. Зона входного сигнала}

^{Компоненты входного фильтра рядом с соответствующими выводами}

^{Избегайте параллельной трассировки входных и выходных линий}

^{Высокочастотные сигналы изолированы с помощью плоскостей заземления}

 

^{2. Зона управления питанием}

^{Развязывающие конденсаторы размещаются в шахматном порядке}

^{Линии питания проложены вдали от чувствительных сигналов}

^{Обеспечьте полные пути возврата заземления}

 

^{3. Зона управления выходом}

^{Подтягивающие резисторы размещаются близко к выходным выводам}

^{Ширина трассировки выхода рассчитана в соответствии с током нагрузки}

^{Контрольные точки зарезервированы для удобства отладки}

 

^{Меры по борьбе с помехами}

^{Подавление шума}

^{Параллельные небольшие конденсаторы (10-100 пФ) на критических входных выводах}

^{Сигнальные линии держатся подальше от тактовых сигналов и импульсных источников питания}

^{Использование полных плоскостей заземления}

 

^{Конструкция терморегулирования}

^{Полностью используйте медную фольгу печатной платы для отвода тепла}

^{Добавьте тепловые переходы в приложениях с высокой температурой}

^{Поддерживайте достаточное пространство вокруг компонентов}

 

^{Требования к производственному процессу}

^{Проектирование для производства}

^{Размеры площадок соответствуют стандартам IPC-7351}

^{Расстояние между компонентами соответствует требованиям автоматизированного производства}

^{Четкая шелкотрафаретная идентификация функций выводов}

 

^{Стандарты контроля}

^{Качество паяных соединений: IPC-A-610 Class 2}

^{Точность выравнивания: ±0,1 мм}

^{Соосность: отклонение высоты выводов ≤0,1 мм}

 

^{Это решение компоновки обеспечивает стабильную работу LM193DR в полном температурном диапазоне от -55°C до +125°C за счет оптимизации целостности сигнала, целостности питания и терморегулирования, удовлетворяя строгим требованиям аэрокосмической, автомобильной электроники и других высокостандартных приложений.}

 

 

^{IV. Руководство по проектированию площадок печатной платы и конструкции паяльной маски}

 

^{Основные характеристики компоновки площадок}

^{Основные параметры размеров}

^{Количество выводов: стандартная конфигурация с 8 выводами}

^{Ширина площадки: 0,45 мм (точно соответствует размерам выводов)}

^{Длина площадки: 1,5 мм (обеспечивает достаточную площадь пайки)}

^{Шаг выводов: 0,65 мм (стандартная конструкция шага)}

^{Размер корпуса: 5,8 мм (общая симметричная компоновка)}

 

^{Требования к симметричному дизайну}

^{Полностью симметричная компоновка на основе осевой линии}

^{Все размеры поддерживают строгие производственные допуски}

^{Обеспечьте равномерное распределение тепла во время пайки}

 

^{Стандарты проектирования паяльной маски
Не определено паяльной маской (NSMD) — рекомендуемое решение}

^{Структурные особенности:}

^{Металлические площадки полностью открыты}

^{Отверстия паяльной маски больше размеров площадок}

^{Отверстия паяльной маски на 0,05 мм больше площадок с каждой стороны}

 

^{Преимущества:}

^{Снижает концентрацию напряжений}

^{Повышает надежность пайки}

^{Облегчает управление процессом}

 

^{Определено паяльной маской (SMD) — альтернативное решение}

^{Отверстия паяльной маски точно соответствуют размерам площадок}

^{Металлический слой частично покрыт паяльной маской}

^{Подходит для конструкций трассировки высокой плотности}

 

^{Основные параметры проектирования
Контроль допуска по размерам}

^{Допуск положения площадки: ±0,05 мм}

^{Точность выравнивания паяльной маски: ±0,05 мм}

^{Общее отклонение симметрии: ≤0,1 мм}

 

^{Характеристики металлического слоя}

^{Толщина базовой медной фольги: 1 унция (35 мкм)}

^{Рекомендуемая обработка поверхности: ENIG/иммерсионное золото}

^{Обработка закругленных углов края площадки}

 

^{Требования к производственному процессу
Параметры конструкции трафарета}

^{Ширина: 0,4-0,45 мм (90-100% ширины вывода)}

^{Длина: 1,4-1,5 мм}

^{Толщина трафарета: 0,1-0,15 мм}

 

^{Контроль процесса пайки}

^{Тип паяльной пасты: бессвинцовая типа III}

^{Пиковая температура оплавления: 245-255°C}

^{Скорость нагрева: 1-3°C/секунду}

 

^{Стандарты проверки качества
Проверка технологичности}

^{Расстояние между площадками ≥0,2 мм}

^{Ширина мостика паяльной маски ≥0,1 мм}

^{Расстояние от шелкографии до площадки ≥0,1 мм}

 

^{Проверка надежности}

^{Испытания на термоциклирование: от -55°C до 125°C}

^{Прочность паяного соединения: соответствует IPC-9701}

^{Визуальный осмотр: соответствует IPC-A-610 Class 2/3}

 

^{Это руководство по проектированию предоставляет исчерпывающие технические характеристики для проектирования печатных плат LM193DR в приложениях с высокой надежностью, таких как аэрокосмическая и автомобильная электроника, обеспечивая долгосрочную стабильную работу в суровых условиях.}

 

 

V. Размеры корпуса и анализ структуры

 

 

^{Основные размеры контура корпуса}

^{Основные размеры профиля}

^{Длина корпуса: 1,90 - 2,10 мм}

^{Ширина корпуса: 0,70 - 0,80 мм}

^{Высота корпуса: 0,18 - 0,32 мм (толщина вывода)}

^{Плоскость посадки: опорная плоскость 0,08 мм}

 

 

 

^{Параметры структуры выводов}

^{Ширина вывода: 0,18 - 0,32 мм}

^{Длина вывода: 0,20 - 0,40 мм}

^{Шаг выводов: стандартный шаг 6×0,50 мм}

^{Толщина боковой стенки металла: 0,10 мм (типовое значение)}

 

^{Особые структурные особенности}

^{Область идентификации вывода 1}

^{Конструкция фаски 45°, ширина 0,25 мм}

^{Обеспечивает четкую идентификацию полярности}

^{Облегчает автоматический оптический контроль}

 

^{Конструкция тепловой площадки}

^{Открытая тепловая площадка: расположена в нижней части корпуса}

^{Тепловая улучшенная структура: улучшает способность рассеивания мощности}

^{Требования к пайке: требуется хороший контакт с печатной платой}

 

^{Варианты формы выводов}

^{Вариант 1: стандартные крыловидные выводы}

^{Вариант 2: альтернативные формы выводов}

 

^{Контроль допуска по размерам}

^{Основные размеры: стандартный допуск ±0,05 мм}

^{Критические размеры: жесткий допуск ±0,10 мм}

^{Совокупный допуск: максимальное отклонение 0,050 мм}

 

^{Рекомендации по адаптации конструкции печатной платы}

^{Рекомендации по проектированию площадок}

^{Ширина площадки: 0,22 - 0,32 мм (соответствует размерам выводов)}

^{Длина площадки: 0,70 - 0,91 мм}

^{Поддержание расстояния: минимальный зазор 0,18 мм}

 

^{Конструкция терморегулирования}

^{Полное медное покрытие в области тепловой площадки}

^{Рекомендуется использование массивов тепловых переходов}

^{Обеспечьте эффективные пути теплопроводности}

 

^{Стандарты проверки качества}

^{Требования к визуальному осмотру}

^{Соосность выводов: ≤ 0,10 мм}

^{Точность выравнивания площадок: ± 0,05 мм}

^{Целостность обработки поверхности: отсутствие окисления, отсутствие загрязнений}

 

^{Испытания на надежность}

^{Термоциклирование: от -55°C до +125°C}

^{Механическая прочность: соответствует стандартам JEDEC}

^{Качество пайки: сертифицировано по IPC-A-610}

 

^{Этот анализ размеров корпуса предоставляет точные механические ссылки для проектирования печатных плат LM193DR в суровых условиях, обеспечивая стабильную механическую фиксацию и эффективное терморегулирование в приложениях с высокой надежностью.}

 

 

^{VI. Конфигурация выводов и функциональный анализ}

 

^{Обзор типа корпуса}

^{Стандартные 8-выводные корпуса: поддерживают несколько форматов корпусов, включая SOIC, VSOP, PDIP и TSSOP}

^{Теплоулучшенные корпуса: в выбранных моделях имеются тепловые площадки на нижней стороне для улучшения рассеивания тепла}

 

^{Подробное описание функций выводов}

^{Выводы компаратора канала 1}

^{Вывод 1 (1OUT): выход компаратора A}

^{Структура с открытым коллектором}

^{Требуется внешний подтягивающий резистор}

^{Напряжение насыщения на выходе: 400 мВ (типовое значение)}

 

^{Вывод 2 (1IN-): инвертирующий вход компаратора A}

^{Высокоимпедансный вход: 0,3 МОм (типовое значение)}

^{Ток смещения на входе: 500 нА (максимум)}

 

^{Вывод 3 (1IN+): неинвертирующий вход компаратора A}

^{Диапазон синфазного сигнала на входе: от 0 В до Vcc-1,5 В}

 

^{Выводы компаратора канала 2}

^{Вывод 7 (2OUT): выход компаратора B}

^{Та же структура с открытым коллектором, что и 1OUT}

^{Способен независимо управлять различными нагрузками}

 

^{Вывод 6 (2IN-): инвертирующий вход компаратора B}

^{Вывод 5 (2IN+): неинвертирующий вход компаратора B}

 

^{Выводы управления питанием}

^{Вывод 8 (Vcc/V+):Вход положительного питания}

^{Диапазон рабочего напряжения: от 2 В до 36 В}

^{Совместимость с однополярной или двухполярной конфигурацией питания}

 

^{Вывод 4 (GND):Клемма заземления/отрицательного питания}

^{Подключен к заземлению системы в однополярном режиме}

^{Подключен к шине отрицательного питания в двухполярном режиме}

 

Конфигурация теплоотводящей площадки

 

 

^{Основные требования к конструкции}

^{Должен быть напрямую подключен к выводу GND (вывод 4)}

^{Печатная плата должна обеспечивать достаточную площадь меди для рассеивания тепла}

^{Рекомендуются тепловые переходы для улучшения рассеивания тепла效果}

 

^{Параметры электрических характеристик}

^{Производительность компаратора}

^{Время отклика: 1,3 мкс (типовое значение) (перегрузка 5 мВ)}

^{Напряжение смещения на входе: максимум ±2 мВ}

^{Усиление по напряжению: 200 В/мВ (типовое значение)}

 

Рабочая среда

Температурный диапазон: от -55°C до +125°C

Ток покоя: 0,8 мА/компаратор (типовое значение)

 

^{Примечания по применению конструкции}

^{Рекомендации по конфигурации выхода}

^{Значение подтягивающего резистора: от 1 кОм до 10 кОм}

^{Максимальный ток стока: 16 мА (абсолютный максимум)}

^{Выходы можно объединить параллельно для реализации логики И-НЕ}

 

^{Требования к развязке питания}

^{Керамический конденсатор 0,1 мкФ должен быть размещен рядом с выводом Vcc}

^{Рекомендуется дополнительный электролитический конденсатор 10 мкФ для высокочастотных приложений}

 

^{Этот анализ конфигурации выводов предоставляет исчерпывающую техническую информацию для проектирования схем LM193DR в суровых условиях, таких как промышленный контроль и автомобильная электроника, обеспечивая стабильную и надежную функциональность сравнения напряжения.}