LM393DT是一款开路集电极(Open-Collector)输出 的比较器。这意味着它的输出引脚本身不能主动输出高电平,必须通过一个上拉电阻连接到电源(VCC)才能工作-。
基于这个前提,三种输入情况下的输出表现如下(以A连接同相输入端(+),B连接反相输入端(-)为例):
1. 当信号A大于信号B时
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输出状态 :高电平(逻辑"1")。
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输出电压 :约等于 VCC(即你所用的正电源电压)。
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原理:内部输出晶体管关断,输出引脚对外呈现高阻态。此时,输出电压由上拉电阻拉到VCC,因此输出高电平。
2. 当信号A小于信号B时
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输出状态 :低电平(逻辑"0")。
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输出电压 :非常接近 GND(0V) ,典型饱和电压约为 80mV(在灌电流为4mA时,最大为250mV)。
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原理:内部输出晶体管饱和导通,将输出引脚直接拉到地(GND),因此输出低电平。
3. 当信号A与信号B相等(或差异极小)时
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输出状态 :不确定/临界状态。
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输出电压 :不稳定,可能振荡。此时输出既不是稳定的高电平也不是稳定的低电平,而是在两者之间快速跳变。
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原因 :任何实际的比较器都存在输入失调电压(Input Offset Voltage) 。LM393DT的典型输入失调电压约为**±1mV** 。只有当两个输入信号的差值大于这个失调电压时,输出才是确定的。当差值小于失调电压时,比较器无法判定谁大谁小,输出便会发生振荡。
总结表格
| 输入信号关系 (A为同相端+, B为反相端-) | 输出状态 | 输出电压 | 内部晶体管状态 |
|---|---|---|---|
| A > B (差值 > 1mV) | 高电平 | ≈ VCC | 截止 (关断) |
| A < B (差值 > 1mV) | 低电平 | ≈ 0V (GND) | 饱和导通 |
| A ≈ B (差值 < 1mV) | 不确定/振荡 | 不稳定 | 在截止与导通间快速切换 |
总而言之,LM393DT比较器用于判断两个输入信号的大小,并输出对应的数字电平。其开路集电极结构要求外部上拉电阻才能输出高电平。当两个输入信号非常接近时,输出可能会发生振荡,这是设计时需要注意的一点。
如果LM393DT的两个输入引脚都悬空,其输出状态是 不确定的、不可预测的,并且极有可能发生振荡。
简单来说,这和两个输入信号"几乎相等"时的情况类似,但更糟糕,因为你连输入端的电压都无法确定。
为什么输出状态不确定?
这主要由两个原因导致:
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输入偏置电流与高阻抗 :LM393DT的输入级是双极性晶体管(BJT) ,需要一定的输入偏置电流(典型值25nA-)才能工作。当引脚悬空时,这个微小的电流无法形成稳定的回路,导致引脚上的电压被电路板上的寄生电容、电磁干扰或漏电流 所主导-。因此,两个悬空引脚(
IN+和IN-)的电压是随机且不确定的。 -
高增益放大 :比较器本身具有极高的电压增益。它会将这个极其微小的、不稳定的输入电压差进行放大,导致输出级(开路集电极的NPN晶体管)在导通(输出低电平)和截止(输出高阻态)之间快速、随机地切换,形成振荡。
你的电路会观察到什么现象?
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输出电压 :由于LM393DT是开路集电极(Open-Collector)输出 ,它本身不能输出高电平。输出引脚(
OUT)的电压完全取决于外部上拉电阻。-
当内部晶体管截止 时,输出被上拉电阻拉到
VCC,你测到高电平。 -
当内部晶体管导通 时,输出被拉到
GND,你测到低电平。
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实际表现 :在悬空状态下,这个晶体管会在这两种状态间无规律地快速切换,所以你用示波器会看到一个振荡的、不稳定的波形,用万用表则可能读到一个中间值。
重要提醒:绝对避免这种设计!
在工程实践中,绝不能让比较器的输入端悬空。这是一种不可靠的设计,会导致电路工作异常,并可能增加功耗。
正确的做法是 :为不使用的比较器通道或需要固定电平的输入端,提供一个确定的直流参考电压。
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方案一 :将同相输入端(
IN+)接参考电压(如VCC/2),反相输入端(IN-)也接相同的参考电压,或直接接地。 -
方案二 :将两个输入端分别通过一个电阻(如10kΩ)连接到
VCC和GND,确保有一个明确的电压差。
总而言之,LM393DT的输入引脚悬空会导致输出处于不确定的振荡状态,这是设计上需要严格避免的。