Phân tích thiết kế của bộ so sánh độ chính xác cao LM193DR

^{Ngày 18 tháng 10 năm 2025 — Trong bối cảnh sự phức tạp ngày càng tăng trong tự động hóa công nghiệp và các hệ thống điện tử ô tô, nhu cầu về khả năng thích ứng với môi trường và sự ổn định hoạt động của các thành phần xử lý tín hiệu chính ngày càng cao. Là một trong những giải pháp giải quyết các ứng dụng môi trường khắc nghiệt, bộ so sánh điện áp kép LM193DR, với dải nhiệt độ công nghiệp mở rộng từ -55°C đến +125°C và điện áp bù đầu vào thấp tới ±1 mV (điển hình), cung cấp khả năng phát hiện điện áp và so sánh tín hiệu đáng tin cậy cho điều khiển hàng không vũ trụ, bộ truyền động động cơ ô tô và các hệ thống cảm biến công nghiệp có độ chính xác cao.}

 

 

^{I. Giới thiệu Chip}

 

^{LM193DR là một mạch tích hợp đơn khối kết hợp hai bộ so sánh điện áp chính xác độc lập. Được đặt trong gói SOIC-8, thiết bị này có mức tiêu thụ điện năng thấp, độ chính xác cao và dải nhiệt độ hoạt động cực rộng, đồng thời duy trì khả năng tương thích trực tiếp với các giao diện logic TTL, CMOS và MOS.}

 

^{Các tính năng và ưu điểm cốt lõi:}

^{Dải nhiệt độ cực rộng: Hoạt động đầy đủ từ -55°C đến +125°C}

^{Điện áp bù đầu vào thấp: Thông thường ±1mV, tối đa ±2mV}

^{Dòng thiên vị đầu vào thấp: Thông thường 25nA}

^{Dải điện áp hoạt động rộng: Nguồn đơn 2V đến 36V}

^{Thiết kế công suất thấp: Dòng điện tĩnh xấp xỉ 0,8mA trên mỗi bộ so sánh}

 

^{Các lĩnh vực ứng dụng điển hình:}

^{Hệ thống điều khiển hàng không vũ trụ}

^{Bộ điều khiển điện tử ô tô (ECU)}

^{Dụng cụ điều khiển quy trình công nghiệp}

^{Giao diện cảm biến có độ chính xác cao}

 

 

II. Phân tích sơ đồ khối chức năng của bộ so sánh đơn

 

^{Tổng quan về kiến trúc cốt lõi
LM193DR sử dụng kiến trúc bóng bán dẫn lưỡng cực cổ điển, với mỗi bộ so sánh bao gồm một giai đoạn đầu vào vi sai hoàn chỉnh, giai đoạn khuếch đại và giai đoạn đầu ra, đảm bảo độ chính xác so sánh ổn định trên phạm vi nhiệt độ rộng.}

 

 

 

^{Phân tích các mô-đun chức năng chính}

^{1. Giai đoạn khuếch đại vi sai đầu vào}

^{Cấu trúc cốt lõi: Q1 và Q2 tạo thành một cặp đầu vào vi sai PNP}

^{Thiết kế thiên vị: Q15 tạo thành một nguồn dòng không đổi, cung cấp dòng điện hoạt động ổn định}

^{Cơ chế bảo vệ:}

^{D3 và D4 thực hiện bảo vệ kẹp đầu vào}

^{Mạch giới hạn điện áp chế độ chung}

 

^{Đặc điểm hiệu suất:}

^{Dòng thiên vị đầu vào: Thông thường 25nA}

^{Điện áp bù đầu vào: Thông thường ±1mV}

^{Phạm vi đầu vào chế độ chung bao gồm điện thế đất}

 

^{2. Mạng thiên vị và tham chiếu}

^{Cấu trúc gương dòng điện: Q9-Q12 và Q14 tạo thành mạch thiên vị chính xác}

^{Bù nhiệt độ: Bù tích hợp đảm bảo độ ổn định trên toàn bộ dải nhiệt độ}

^{Chuyển mức: D1 và D2 cung cấp điện áp tham chiếu ổn định}

 

^{3. Giai đoạn khuếch đại trung gian}

^{Mạch khuếch đại: Q3, Q4, v.v. tạo thành một giai đoạn khuếch đại emitter chung}

^{Thực hiện chức năng:}

^{Cung cấp độ lợi điện áp chính}

^{Chuyển đổi tín hiệu vi sai thành tín hiệu một đầu}

^{Điều khiển hoạt động của giai đoạn đầu ra}

 

^{4. Giai đoạn trình điều khiển đầu ra}

^{Cấu trúc đầu ra: Thiết kế đầu ra thu hở}

^{Thành phần cốt lõi: Q13 đóng vai trò là bóng bán dẫn trình điều khiển đầu ra}

^{Mạch bảo vệ: Tích hợp bảo vệ ESD}

^{Các tính năng chính:}

^{Điện áp bão hòa đầu ra: Thông thường 130mV}

^{Tương thích với mức logic TTL/CMOS}

^{Yêu cầu điện trở kéo lên bên ngoài}

 

^{Phân tích đường dẫn tín hiệu}

^{Đầu vào không đảo → Q2 → Chuyển mức → Giai đoạn khuếch đại → Đầu vào đảo trình điều khiển đầu ra → Q1 → Chuyển mức → Giai đoạn khuếch đại → Trình điều khiển đầu ra}

 

^{Các thông số hiệu suất chính}

^{Đặc điểm chính xác}

^{Độ lợi điện áp: Thông thường 200V/mV}

^{Thời gian đáp ứng: 1,3μs (Vcc=5V)}

^{Phạm vi chế độ chung đầu vào: 0V đến Vcc-1,5V}

 

^{Đặc điểm độ tin cậy}

^{Nhiệt độ hoạt động: -55℃ đến +125℃}

^{Bảo vệ ESD: >2000V}

^{Độ ổn định dài hạn:<0,5μV/tháng}

 

^{Tóm tắt ưu điểm thiết kế}

^{Kiến trúc này thể hiện triết lý thiết kế của các mạch tích hợp tương tự có độ tin cậy cao:}

^{Khả năng thích ứng với môi trường: Duy trì hiệu suất ổn định trên phạm vi nhiệt độ rộng}

^{Đảm bảo độ chính xác: Thiết kế thiên vị và bù trừ tinh vi}

^{Khả năng tương thích hệ thống: Giao diện linh hoạt và cấu hình đầu ra}

^{Hoạt động đáng tin cậy: Cơ chế bảo vệ tích hợp toàn diện}

 

^{Sơ đồ khối chức năng này cung cấp nền tảng kỹ thuật để hiểu các nguyên tắc hoạt động của LM193DR trong môi trường khắc nghiệt, làm cho nó đặc biệt phù hợp để xác minh thiết kế trong các tình huống ứng dụng có độ tin cậy cao như hàng không vũ trụ và điện tử ô tô.}

 

 

III. Hướng dẫn thiết kế bố cục PCB

 

Cấu hình chân và phân tích chức năng

 

 

 

^{Chi tiết chức năng chân:}

^{Chân 1 (1OUT): Đầu ra bộ so sánh A
Đầu ra thu hở, yêu cầu điện trở kéo lên bên ngoài}

^{Chân 2 (1IN-): Đầu vào đảo bộ so sánh A}

^{Chân 3 (1IN+): Đầu vào không đảo bộ so sánh A}

^{Chân 4 (GND): Đầu cuối nối đất}

^{Chân 5 (2IN+): Đầu vào không đảo bộ so sánh B}

^{Chân 6 (2IN-): Đầu vào đảo bộ so sánh B}

^{Chân 7 (2OUT): Đầu ra bộ so sánh B}

^{Chân 8 (Vcc): Nguồn dương (2V đến 36V)}

 

^{Các điểm cốt lõi của bố cục PCB}

^{Xử lý tín hiệu đầu vào}

^{Điện trở đầu vào đặt gần thiết bị: Khoảng cách được kiểm soát trong vòng 2mm}

^{Bố cục đối xứng: Tín hiệu vi sai sử dụng thiết kế đường dẫn có độ dài bằng nhau}

^{Bảo vệ che chắn: Tín hiệu đầu vào nhạy cảm được bao quanh bởi các đường nối đất}

 

^{Thiết kế khử ghép nguồn điện}

^{Tụ điện khử ghép được đặt<3mm từ các chân}

^{Độ rộng đường dẫn nguồn ≥0,5mm}

^{Chiến lược bố cục phân vùng}

 

^{1. Vùng tín hiệu đầu vào}

^{Các thành phần lọc đầu vào liền kề với các chân tương ứng}

^{Tránh định tuyến song song của các đường đầu vào và đầu ra}

^{Tín hiệu tần số cao được cách ly bằng các mặt phẳng nối đất}

 

^{2. Vùng quản lý năng lượng}

^{Tụ điện khử ghép được đặt trong các lớp so le}

^{Đường dây điện được định tuyến ra khỏi các tín hiệu nhạy cảm}

^{Đảm bảo đường trả về nối đất hoàn chỉnh}

 

^{3. Vùng điều khiển đầu ra}

^{Điện trở kéo lên được đặt gần các chân đầu ra}

^{Độ rộng đường dẫn đầu ra được thiết kế theo dòng tải}

^{Các điểm kiểm tra được dành riêng để thuận tiện cho việc gỡ lỗi}

 

^{Các biện pháp thiết kế chống nhiễu}

^{Chống ồn}

^{Tụ điện nhỏ song song (10-100pF) trên các chân đầu vào quan trọng}

^{Đường tín hiệu tránh xa đồng hồ và nguồn điện chuyển mạch}

^{Sử dụng các mặt phẳng nối đất hoàn chỉnh}

 

^{Thiết kế quản lý nhiệt}

^{Sử dụng đầy đủ lá đồng PCB để tản nhiệt}

^{Thêm các lỗ thông nhiệt trong các ứng dụng nhiệt độ cao}

^{Duy trì không gian đầy đủ xung quanh các thành phần}

 

^{Yêu cầu quy trình sản xuất}

^{Thiết kế để sản xuất}

^{Kích thước miếng đệm tuân thủ các tiêu chuẩn IPC-7351}

^{Khoảng cách thành phần đáp ứng các yêu cầu sản xuất tự động}

^{Nhận dạng màn hình lụa rõ ràng các chức năng chân}

 

^{Tiêu chuẩn kiểm tra}

^{Chất lượng mối hàn: IPC-A-610 Class 2}

^{Độ chính xác căn chỉnh: ±0,1mm}

^{Độ phẳng: Biến thể chiều cao chân ≤0,1mm}

 

^{Giải pháp bố cục này đảm bảo hoạt động ổn định của LM193DR trên toàn bộ dải nhiệt độ từ -55℃ đến +125℃ bằng cách tối ưu hóa tính toàn vẹn tín hiệu, tính toàn vẹn nguồn và quản lý nhiệt, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của hàng không vũ trụ, điện tử ô tô và các ứng dụng tiêu chuẩn cao khác.}

 

 

^{IV. Hướng dẫn thiết kế bố cục miếng đệm PCB và mặt nạ hàn}

 

^{Thông số kỹ thuật bố cục miếng đệm cốt lõi}

^{Thông số kích thước cơ bản}

^{Số lượng chân: Cấu hình tiêu chuẩn 8 chân}

^{Chiều rộng miếng đệm: 0,45mm (khớp chính xác với kích thước chân)}

^{Chiều dài miếng đệm: 1,5mm (cung cấp đủ diện tích hàn)}

^{Bước chân: 0,65mm (thiết kế bước tiêu chuẩn)}

^{Khoảng cách gói: 5,8mm (bố cục đối xứng tổng thể)}

 

^{Yêu cầu thiết kế đối xứng}

^{Bố cục hoàn toàn đối xứng dựa trên đường tâm}

^{Tất cả các kích thước duy trì dung sai sản xuất nghiêm ngặt}

^{Đảm bảo phân phối nhiệt đồng đều trong quá trình hàn}

 

^{Tiêu chuẩn thiết kế mặt nạ hàn
Không xác định mặt nạ hàn (NSMD) - Giải pháp được đề xuất}

^{Tính năng cấu trúc:}

^{Miếng đệm kim loại lộ hoàn toàn}

^{Các lỗ mở mặt nạ hàn lớn hơn kích thước miếng đệm}

^{Các lỗ mở mặt nạ hàn lớn hơn miếng đệm 0,05mm mỗi bên}

 

^{Đặc điểm ưu điểm:}

^{Giảm tập trung ứng suất}

^{Cải thiện độ tin cậy hàn}

^{Tạo điều kiện kiểm soát quy trình}

 

^{Mặt nạ hàn được xác định (SMD) - Giải pháp thay thế}

^{Các lỗ mở mặt nạ hàn khớp chính xác với kích thước miếng đệm}

^{Lớp kim loại được che phủ một phần bằng mặt nạ hàn}

^{Thích hợp cho các thiết kế định tuyến mật độ cao}

 

^{Thông số thiết kế chính
Kiểm soát dung sai kích thước}

^{Dung sai vị trí miếng đệm: ±0,05mm}

^{Độ chính xác căn chỉnh mặt nạ hàn: ±0,05mm}

^{Độ lệch đối xứng tổng thể: ≤0,1mm}

 

^{Thông số kỹ thuật lớp kim loại}

^{Độ dày lá đồng cơ bản: 1oz (35μm)}

^{Lớp hoàn thiện bề mặt được đề xuất: ENIG/Vàng nhúng}

^{Xử lý góc bo tròn cạnh miếng đệm}

 

^{Yêu cầu quy trình sản xuất
Thông số thiết kế khuôn mẫu}

^{Chiều rộng: 0,4-0,45mm (90-100% chiều rộng chân)}

^{Chiều dài: 1,4-1,5mm}

^{Độ dày khuôn mẫu: 0,1-0,15mm}

 

^{Kiểm soát quy trình hàn}

^{Loại keo hàn: Loại III không chì}

^{Nhiệt độ đỉnh reflow: 245-255°C}

^{Tốc độ gia nhiệt: 1-3°C/giây}

 

^{Tiêu chuẩn xác minh chất lượng
Kiểm tra khả năng sản xuất}

^{Khoảng cách miếng đệm ≥0,2mm}

^{Chiều rộng cầu mặt nạ hàn ≥0,1mm}

^{Khoảng cách màn hình lụa đến miếng đệm ≥0,1mm}

 

^{Xác minh độ tin cậy}

^{Kiểm tra chu kỳ nhiệt: -55℃ đến 125℃}

^{Độ bền mối hàn: Tuân thủ IPC-9701}

^{Kiểm tra trực quan: Đáp ứng IPC-A-610 Class 2/3}

 

^{Hướng dẫn thiết kế này cung cấp các thông số kỹ thuật toàn diện để thiết kế PCB của LM193DR trong các ứng dụng có độ tin cậy cao như hàng không vũ trụ và điện tử ô tô, đảm bảo hoạt động ổn định lâu dài trong môi trường khắc nghiệt.}

 

 

V. Kích thước gói và phân tích cấu trúc

 

 

^{Kích thước chính của phác thảo gói}

^{Kích thước hồ sơ chính}

^{Chiều dài gói: 1,90 - 2,10 mm}

^{Chiều rộng gói: 0,70 - 0,80 mm}

^{Chiều cao gói: 0,18 - 0,32 mm (độ dày chân)}

^{Mặt phẳng ngồi: Mặt phẳng tham chiếu 0,08 mm}

 

 

 

^{Thông số cấu trúc chân}

^{Chiều rộng chân: 0,18 - 0,32 mm}

^{Chiều dài chân: 0,20 - 0,40 mm}

^{Bước chân: Khoảng cách tiêu chuẩn 6×0,50 mm}

^{Độ dày kim loại thành bên: Giá trị điển hình 0,10 mm}

 

^{Các tính năng cấu trúc đặc biệt}

^{Khu vực nhận dạng chân 1}

^{Thiết kế vát 45°, chiều rộng 0,25 mm}

^{Cung cấp nhận dạng cực rõ ràng}

^{Tạo điều kiện kiểm tra quang học tự động}

 

^{Thiết kế miếng đệm nhiệt}

^{Miếng đệm nhiệt tiếp xúc: Nằm ở phía dưới của gói}

^{Cấu trúc tăng cường nhiệt: Cải thiện khả năng tản nhiệt}

^{Yêu cầu hàn: Yêu cầu tiếp xúc tốt với PCB}

 

^{Tùy chọn hình dạng chân}

^{Tùy chọn 1: Chìa cánh chim hải âu tiêu chuẩn}

^{Tùy chọn 2: Hình dạng đầu cuối thay thế}

 

^{Kiểm soát dung sai kích thước}

^{Kích thước chính: Dung sai tiêu chuẩn ±0,05 mm}

^{Kích thước quan trọng: Dung sai chặt chẽ ±0,10 mm}

^{Dung sai tích lũy: Độ lệch tối đa 0,050 mm}

 

^{Hướng dẫn điều chỉnh thiết kế PCB}

^{Khuyến nghị thiết kế miếng đệm}

^{Chiều rộng miếng đệm: 0,22 - 0,32 mm (khớp với kích thước chân)}

^{Chiều dài miếng đệm: 0,70 - 0,91 mm}

^{Duy trì khoảng cách: Khoảng hở tối thiểu 0,18 mm}

 

^{Thiết kế quản lý nhiệt}

^{Độ che phủ đồng hoàn toàn trong khu vực miếng đệm nhiệt}

^{Khuyến nghị sử dụng các mảng lỗ thông nhiệt}

^{Đảm bảo đường dẫn dẫn nhiệt hiệu quả}

 

^{Tiêu chuẩn xác minh chất lượng}

^{Yêu cầu kiểm tra trực quan}

^{Độ phẳng của chân: ≤ 0,10 mm}

^{Độ chính xác căn chỉnh miếng đệm: ± 0,05 mm}

^{Tính toàn vẹn của xử lý bề mặt: Không bị oxy hóa, không bị nhiễm bẩn}

 

^{Kiểm tra độ tin cậy}

^{Chu kỳ nhiệt độ: -55℃ đến +125℃}

^{Độ bền cơ học: Tuân thủ các tiêu chuẩn JEDEC}

^{Chất lượng hàn: Được chứng nhận theo IPC-A-610}

 

^{Phân tích kích thước gói này cung cấp các tham chiếu cơ học chính xác cho thiết kế PCB của LM193DR trong môi trường khắc nghiệt, đảm bảo cố định cơ học ổn định và quản lý nhiệt hiệu quả trong các ứng dụng có độ tin cậy cao.}

 

 

^{VI. Cấu hình chân và phân tích chức năng}

 

^{Tổng quan về loại gói}

^{Gói 8 chân tiêu chuẩn: Hỗ trợ nhiều định dạng gói bao gồm SOIC, VSOP, PDIP và TSSOP}

^{Gói tăng cường nhiệt: Các kiểu máy được chọn có miếng đệm nhiệt mặt dưới để cải thiện khả năng tản nhiệt}

 

^{Mô tả chi tiết chức năng chân}

^{Chân bộ so sánh kênh 1}

^{Chân 1 (1OUT): Đầu ra bộ so sánh A}

^{Cấu trúc đầu ra thu hở}

^{Yêu cầu điện trở kéo lên bên ngoài}

^{Điện áp bão hòa đầu ra: 400mV (điển hình)}

 

^{Chân 2 (1IN-): Đầu vào đảo bộ so sánh A}

^{Đầu vào trở kháng cao: 0,3MΩ (điển hình)}

^{Dòng thiên vị đầu vào: 500nA (tối đa)}

 

^{Chân 3 (1IN+): Đầu vào không đảo bộ so sánh A}

^{Phạm vi chế độ chung đầu vào: 0V đến Vcc-1,5V}

 

^{Chân bộ so sánh kênh 2}

^{Chân 7 (2OUT): Đầu ra bộ so sánh B}

^{Cấu trúc thu hở tương tự như 1OUT}

^{Có khả năng điều khiển độc lập các tải khác nhau}

 

^{Chân 6 (2IN-): Đầu vào đảo bộ so sánh B}

^{Chân 5 (2IN+): Đầu vào không đảo bộ so sánh B}

 

^{Chân quản lý năng lượng}

^{Chân 8 (Vcc/V+):Đầu vào nguồn dương}

^{Dải điện áp hoạt động: 2V đến 36V}

^{Tương thích với cấu hình nguồn đơn hoặc kép}

 

^{Chân 4 (GND): Đầu cuối nối đất/nguồn âm}

^{Được kết nối với đất hệ thống ở chế độ nguồn đơn}

^{Được kết nối với đường ray nguồn âm ở chế độ nguồn kép}

 

Cấu hình miếng tản nhiệt

 

 

^{Yêu cầu thiết kế chính}

^{Phải được kết nối trực tiếp với chân GND (Chân 4)}

^{PCB phải cung cấp đủ diện tích đồng để tản nhiệt}

^{Các lỗ thông nhiệt được khuyến nghị để tăng cường hiệu quả tản nhiệt}

 

^{Thông số đặc tính điện}

^{Hiệu suất bộ so sánh}

^{Thời gian đáp ứng: 1,3μs điển hình (5mV quá mức)}

^{Điện áp bù đầu vào: ±2mV tối đa}

^{Độ lợi điện áp: 200V/mV điển hình}

 

Môi trường hoạt động

Dải nhiệt độ: -55℃ đến +125℃

Dòng điện tĩnh: 0,8mA/bộ so sánh (điển hình)

 

^{Ghi chú ứng dụng thiết kế}

^{Khuyến nghị cấu hình đầu ra}

^{Giá trị điện trở kéo lên: 1kΩ đến 10kΩ}

^{Dòng điện chìm tối đa: 16mA (tối đa tuyệt đối)}

^{Đầu ra có thể được song song để thực hiện logic AND có dây}

 

^{Yêu cầu khử ghép nguồn điện}

^{Tụ điện gốm 0,1μF phải được đặt gần chân Vcc}

^{Khuyến nghị thêm tụ điện điện phân 10μF cho các ứng dụng tần số cao}

 

^{Phân tích cấu hình chân này cung cấp tài liệu tham khảo kỹ thuật toàn diện để thiết kế mạch của LM193DR trong môi trường khắc nghiệt như điều khiển công nghiệp và điện tử ô tô, đảm bảo chức năng so sánh điện áp ổn định và đáng tin cậy.}