LM2901四路電壓比較器：引腳功能與應(yīng)用解析

LM2901是一款業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)、高性能的四路電壓比較器，廣泛應(yīng)用于各種電子系統(tǒng)中，如開(kāi)關(guān)電源、電池充電器、過(guò)欠壓保護(hù)、窗口比較器以及通用模擬信號(hào)處理等。它以其低功耗、寬電源電壓范圍、兼容性強(qiáng)以及成本效益高等特點(diǎn)，成為許多工程師首選的比較器芯片之一。

1. LM2901芯片概述

LM2901屬于LM139/LM239/LM339/LM2901系列比較器家族中的一員，這些比較器在電氣特性上高度相似，主要區(qū)別在于其工作溫度范圍。LM2901通常是指工作溫度范圍較寬的汽車級(jí)或工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，能夠在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。

該芯片內(nèi)部集成了四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，每個(gè)比較器都具有一個(gè)差分輸入對(duì)和一個(gè)集電極開(kāi)路（Open-Collector）輸出。這種輸出類型使其能夠靈活地與各種邏輯電平接口，并且可以實(shí)現(xiàn)線與（Wire-AND）功能，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

2. LM2901引腳功能詳細(xì)解析

LM2901通常采用14引腳雙列直插式封裝（DIP-14）或小外形封裝（SOIC-14）。為了便于理解，我們將按照芯片的引腳編號(hào)逐一介紹其功能。

2.1 引腳1：1OUT (比較器1 輸出)

功能描述： 這是內(nèi)部第一個(gè)比較器（比較器1）的輸出引腳。由于LM2901采用集電極開(kāi)路輸出結(jié)構(gòu)，這意味著該引腳內(nèi)部連接著一個(gè)NPN晶體管的集電極。當(dāng)比較器輸出為低電平（邏輯“0”）時(shí)，內(nèi)部晶體管導(dǎo)通，該引腳會(huì)被拉到接近地電位（GND）；當(dāng)比較器輸出為高電平（邏輯“1”）時(shí)，內(nèi)部晶體管截止，該引腳處于高阻態(tài)（Open）。

應(yīng)用考量：

• 上拉電阻： 為了使輸出在高阻態(tài)時(shí)能夠提供一個(gè)確定的高電平，此引腳必須外接一個(gè)上拉電阻至正電源（VCC或VDD），或連接至目標(biāo)邏輯電平的電源。上拉電阻的阻值選擇需要考慮輸出電流、功耗和上升時(shí)間等因素。

• 邏輯接口： 通過(guò)選擇合適的上拉電壓，該引腳可以直接驅(qū)動(dòng)TTL、CMOS或其他微控制器I/O口。

• 線與功能： 多個(gè)集電極開(kāi)路輸出的比較器可以共用一個(gè)上拉電阻，從而實(shí)現(xiàn)“線與”邏輯功能。只要其中任何一個(gè)比較器的輸出為低，公共點(diǎn)就會(huì)被拉低。

2.2 引腳2：1IN- (比較器1 反相輸入)

功能描述： 這是內(nèi)部第一個(gè)比較器（比較器1）的反相輸入端。當(dāng)此引腳的電壓高于非反相輸入（1IN+）的電壓時(shí)，比較器的輸出（1OUT）通常會(huì)變?yōu)榈碗娖健?/span>

應(yīng)用考量：

• 閾值設(shè)置： 通常將一個(gè)參考電壓連接到此引腳，作為比較的基準(zhǔn)。

• 差分輸入： 與非反相輸入共同構(gòu)成差分輸入對(duì)，用于比較兩個(gè)電壓的大小。

2.3 引腳3：1IN+ (比較器1 非反相輸入)

功能描述： 這是內(nèi)部第一個(gè)比較器（比較器1）的非反相輸入端。當(dāng)此引腳的電壓高于反相輸入（1IN-）的電壓時(shí)，比較器的輸出（1OUT）通常會(huì)變?yōu)楦唠娖剑ǜ咦钁B(tài)）。

應(yīng)用考量：

• 信號(hào)輸入： 通常將待比較的模擬信號(hào)連接到此引腳。

• 與反相輸入配合： 兩者共同決定比較器的輸出狀態(tài)。

2.4 引腳4：2OUT (比較器2 輸出)

功能描述： 這是內(nèi)部第二個(gè)比較器（比較器2）的集電極開(kāi)路輸出引腳，功能和應(yīng)用與1OUT（引腳1）完全相同。同樣需要外部上拉電阻。

2.5 引腳5：2IN- (比較器2 反相輸入)

功能描述： 這是內(nèi)部第二個(gè)比較器（比較器2）的反相輸入端，功能和應(yīng)用與1IN-（引腳2）完全相同。

2.6 引腳6：2IN+ (比較器2 非反相輸入)

功能描述： 這是內(nèi)部第二個(gè)比較器（比較器2）的非反相輸入端，功能和應(yīng)用與1IN+（引腳3）完全相同。

2.7 引腳7：V- (負(fù)電源/地)

功能描述： 這是芯片的負(fù)電源輸入端。在單電源供電應(yīng)用中，此引腳通常連接到系統(tǒng)地（GND）。在雙電源供電應(yīng)用中，此引腳連接到負(fù)電源軌。

應(yīng)用考量：

• 接地： 絕大多數(shù)情況下，LM2901工作在單電源模式下，因此V-引腳直接連接到GND。

• 電源穩(wěn)定性： 確保此引腳的連接穩(wěn)固，并避免電源噪聲。

2.8 引腳8：3IN+ (比較器3 非反相輸入)

功能描述： 這是內(nèi)部第三個(gè)比較器（比較器3）的非反相輸入端，功能和應(yīng)用與1IN+（引腳3）完全相同。

2.9 引腳9：3IN- (比較器3 反相輸入)

功能描述： 這是內(nèi)部第三個(gè)比較器（比較器3）的反相輸入端，功能和應(yīng)用與1IN-（引腳2）完全相同。

2.10 引腳10：3OUT (比較器3 輸出)

功能描述： 這是內(nèi)部第三個(gè)比較器（比較器3）的集電極開(kāi)路輸出引腳，功能和應(yīng)用與1OUT（引腳1）完全相同。

2.11 引腳11：4IN+ (比較器4 非反相輸入)

功能描述： 這是內(nèi)部第四個(gè)比較器（比較器4）的非反相輸入端，功能和應(yīng)用與1IN+（引腳3）完全相同。

2.12 引腳12：4IN- (比較器4 反相輸入)

功能描述： 這是內(nèi)部第四個(gè)比較器（比較器4）的反相輸入端，功能和應(yīng)用與1IN-（引腳2）完全相同。

2.13 引腳13：4OUT (比較器4 輸出)

功能描述： 這是內(nèi)部第四個(gè)比較器（比較器4）的集電極開(kāi)路輸出引腳，功能和應(yīng)用與1OUT（引腳1）完全相同。

2.14 引腳14：V+ (正電源)

功能描述： 這是芯片的正電源輸入端。LM2901支持較寬的電源電壓范圍，通常為2V到36V（單電源）或$pm1V到pm$18V（雙電源）。

應(yīng)用考量：

• 電源旁路： 為了確保芯片穩(wěn)定工作并抑制電源噪聲，強(qiáng)烈建議在V+引腳和GND（或V-）之間并聯(lián)一個(gè)0.1$muF到1mu$F的陶瓷電容，盡可能靠近芯片引腳放置。

• 電壓范圍： 確保供電電壓在芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定的操作范圍內(nèi)，過(guò)高或過(guò)低都可能導(dǎo)致芯片損壞或無(wú)法正常工作。

3. LM2901工作原理

LM2901的核心是四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器。每個(gè)比較器都包含一個(gè)高增益差分放大器，其作用是比較兩個(gè)輸入端（非反相輸入IN+和反相輸入IN-）的電壓。

工作狀態(tài)：

• 當(dāng)VIN+ > VIN? 時(shí)： 比較器判斷非反相輸入電壓高于反相輸入電壓。此時(shí)，內(nèi)部輸出晶體管截止，輸出引腳（OUT）處于高阻態(tài)。如果外部連接了上拉電阻，輸出將變?yōu)楦唠娖健?/span>

• 當(dāng)VIN+ < VIN? 時(shí)： 比較器判斷非反相輸入電壓低于反相輸入電壓。此時(shí)，內(nèi)部輸出晶體管導(dǎo)通，輸出引腳（OUT）被拉低到接近地電位（飽和電壓，通常低于0.2V）。

• 當(dāng)VIN+ ≈ VIN? 時(shí)： 由于比較器具有極高的增益，即使兩個(gè)輸入電壓之間存在微小差異，也會(huì)導(dǎo)致輸出迅速翻轉(zhuǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免輸出在高增益區(qū)的振蕩，常會(huì)引入少量的正反饋（遲滯效應(yīng)，或稱施密特觸發(fā)）來(lái)提高抗噪聲能力。

集電極開(kāi)路輸出的優(yōu)勢(shì)：

• 電平轉(zhuǎn)換： 可以輕松地與不同電壓電平的邏輯電路接口。例如，芯片本身可能由5V供電，但輸出可以上拉到3.3V，直接驅(qū)動(dòng)3.3V的微控制器。

• 線與功能： 多個(gè)比較器的輸出可以通過(guò)共用一個(gè)上拉電阻實(shí)現(xiàn)“線與”邏輯。這在一些需要多路信號(hào)同時(shí)滿足條件才輸出高電平的應(yīng)用中非常有用。

4. LM2901主要特性

• 寬電源電壓范圍： 2V至36V（單電源），或$pm1V至pm$18V（雙電源）。這使得它能夠適應(yīng)多種電源供電系統(tǒng)。

• 低電源電流： 典型值僅為0.8mA（不含上拉電阻）。這對(duì)于電池供電或功耗敏感的應(yīng)用至關(guān)重要。

• 集電極開(kāi)路輸出： 允許實(shí)現(xiàn)“線與”功能，并提供靈活的邏輯電平轉(zhuǎn)換。

• 差分輸入電壓范圍寬： 差分輸入電壓可以等于電源電壓。這意味著即使輸入信號(hào)幅度很大，也不會(huì)損壞芯片。

• 輸入共模電壓范圍： 包括地電位。這表示輸入信號(hào)可以從地開(kāi)始測(cè)量，方便了單電源應(yīng)用。

• 低輸入偏置電流： 典型值僅為25nA。這減少了對(duì)輸入信號(hào)源的負(fù)載效應(yīng)。

• 低輸入失調(diào)電壓： 典型值僅為2mV。這確保了比較的精度。

• 寬工作溫度范圍： LM2901通常指工業(yè)級(jí)或汽車級(jí)，可在較寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作（如-40°C至+85°C或-40°C至+125°C，具體取決于型號(hào)）。

5. LM2901典型應(yīng)用電路

LM2901作為通用比較器，其應(yīng)用范圍極其廣泛。以下列舉幾個(gè)典型應(yīng)用示例：

5.1 單限比較器（閾值檢測(cè)器）

原理： 當(dāng)輸入電壓$V_{IN}超過(guò)（或低于）某個(gè)設(shè)定的參考電壓V_{REF}$時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)。

電路配置：

• 正向比較： 將$V_{REF}$連接到反相輸入（IN-），將待檢測(cè)信號(hào)$V_{IN}$連接到非反相輸入（IN+）。當(dāng)$V_{IN}$ > $V_{REF}$時(shí)，輸出高電平；當(dāng)$V_{IN}$ < $V_{REF}$時(shí)，輸出低電平。

• 反向比較： 將$V_{REF}$連接到非反相輸入（IN+），將待檢測(cè)信號(hào)$V_{IN}$連接到反相輸入（IN-）。當(dāng)$V_{IN}$ < $V_{REF}$時(shí)，輸出高電平；當(dāng)$V_{IN}$ > $V_{REF}$時(shí)，輸出低電平。

應(yīng)用：

• 過(guò)壓/欠壓保護(hù)電路

• 電池電壓監(jiān)測(cè)

• 電平轉(zhuǎn)換

• 傳感器信號(hào)閾值檢測(cè)

5.2 窗口比較器

原理： 用于檢測(cè)輸入信號(hào)是否處于某個(gè)預(yù)設(shè)的電壓窗口之內(nèi)。當(dāng)輸入信號(hào)在上限和下限之間時(shí)，輸出一種狀態(tài)；當(dāng)超出這個(gè)范圍時(shí)，輸出另一種狀態(tài)。

電路配置： 通常使用兩個(gè)比較器實(shí)現(xiàn)。

• 一個(gè)比較器用于檢測(cè)上限（VUPPER），另一個(gè)用于檢測(cè)下限（VLOWER）。

• 將待檢測(cè)信號(hào)$V_{IN}$連接到第一個(gè)比較器的非反相輸入（IN+）和第二個(gè)比較器的反相輸入（IN-）。

• 將$V_{UPPER}連接到第一個(gè)比較器的反相輸入（IN?），將V_{LOWER}$連接到第二個(gè)比較器的非反相輸入（IN+）。

• 兩個(gè)比較器的集電極開(kāi)路輸出通過(guò)一個(gè)上拉電阻連接在一起，實(shí)現(xiàn)“線與”功能。

工作原理：

• 當(dāng)VLOWER < VIN < $V_{UPPER}$時(shí)，兩個(gè)比較器的輸出都為高阻態(tài)（即高電平），因此最終輸出為高電平。

• 當(dāng)VIN < $V_{LOWER}$或$V_{IN}$ > $V_{UPPER}$時(shí)，其中至少一個(gè)比較器的輸出會(huì)變?yōu)榈碗娖?，從而將最終輸出拉低。

應(yīng)用：

• 電源電壓范圍監(jiān)測(cè)

• 自動(dòng)化控制中的狀態(tài)判斷

• 故障檢測(cè)

5.3 施密特觸發(fā)器（帶遲滯的比較器）

原理： 通過(guò)引入正反饋來(lái)增加比較器的遲滯（滯回）特性，從而避免在輸入信號(hào)緩慢變化或有噪聲時(shí)輸出反復(fù)振蕩。當(dāng)輸入信號(hào)上升越過(guò)一個(gè)高閾值時(shí)輸出翻轉(zhuǎn)，而下降越過(guò)一個(gè)低閾值時(shí)才翻轉(zhuǎn)。

電路配置：

• 將一個(gè)電阻從輸出端連接到非反相輸入端（正反饋）。

• 在非反相輸入端和地之間連接一個(gè)分壓電阻。

• 將參考電壓連接到反相輸入端。

應(yīng)用：

• 消除輸入噪聲引起的誤觸發(fā)

• 波形整形（將緩慢變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波）

• 按鍵去抖動(dòng)

5.4 振蕩器/方波發(fā)生器

原理： 利用比較器的翻轉(zhuǎn)特性和RC充放電電路組成一個(gè)自激振蕩電路。

電路配置：

• 比較器的輸出通過(guò)一個(gè)電阻R連接到一個(gè)電容C。

• 電容C的另一端接地，并與比較器的反相輸入端連接。

• 非反相輸入端連接到由電阻分壓器提供的參考電壓。

• 輸出通過(guò)一個(gè)反饋電阻連接到非反相輸入端，形成正反饋。

工作原理：

• 當(dāng)輸出為高電平時(shí)，電容通過(guò)電阻充電，直到其電壓達(dá)到某個(gè)閾值，比較器翻轉(zhuǎn)。

• 當(dāng)輸出為低電平時(shí)，電容通過(guò)電阻放電，直到其電壓達(dá)到另一個(gè)閾值，比較器再次翻轉(zhuǎn)。

• 如此循環(huán)，產(chǎn)生方波輸出。

應(yīng)用：

• 簡(jiǎn)單的時(shí)鐘源

• 報(bào)警器

• 脈沖發(fā)生器

6. 設(shè)計(jì)考量與注意事項(xiàng)

• 電源旁路電容： 務(wù)必在LM2901的電源引腳（V+和V-）附近放置一個(gè)0.1$muF到1mu$F的陶瓷去耦電容，以濾除電源噪聲，確保芯片穩(wěn)定工作。

• 上拉電阻選擇： 上拉電阻的阻值決定了輸出高電平時(shí)的電流消耗和輸出上升時(shí)間。阻值過(guò)小會(huì)增加功耗，阻值過(guò)大會(huì)減慢輸出的上升速度（與負(fù)載電容形成RC時(shí)間常數(shù)）。通常選擇幾千歐姆到幾十千歐姆范圍內(nèi)的電阻。

• 輸入保護(hù)： 盡管LM2901的輸入端具有一定的ESD（靜電放電）保護(hù)，但在工業(yè)環(huán)境中或存在高壓瞬變的場(chǎng)合，仍建議在輸入端增加外部保護(hù)，例如鉗位二極管或RC濾波器。

• 輸入偏置電流： LM2901的輸入偏置電流很小，但在高阻抗信號(hào)源的應(yīng)用中，仍然需要考慮其影響，可能需要調(diào)整輸入網(wǎng)絡(luò)的電阻值以最小化誤差。

• 輸入電壓范圍： 確保輸入信號(hào)電壓在芯片的共模輸入電壓范圍內(nèi)。超出此范圍可能導(dǎo)致比較器無(wú)法正常工作或輸出異常。

• PCB布局： 良好的PCB布局對(duì)于高速和高精度電路至關(guān)重要。盡量縮短輸入和輸出走線，避免交叉干擾，并確保良好的接地。

• 遲滯效應(yīng)： 在許多實(shí)際應(yīng)用中，特別是在輸入信號(hào)存在噪聲或緩慢變化時(shí)，引入遲滯（施密特觸發(fā)）是非常有益的，可以有效防止輸出振蕩。

7. LM2901與LM339的區(qū)別

雖然LM2901與LM339在功能和引腳排列上高度相似，但它們之間存在一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別：工作溫度范圍。

• LM339： 通常是指商用級(jí)或消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品，工作溫度范圍一般為0°C至70°C。

• LM2901： 通常是指工業(yè)級(jí)或汽車級(jí)產(chǎn)品，工作溫度范圍更寬，例如-40°C至+85°C或-40°C至+125°C。這意味著LM2901在極端溫度條件下具有更好的可靠性和穩(wěn)定性。

因此，在選擇芯片時(shí)，應(yīng)根據(jù)您的應(yīng)用環(huán)境和溫度要求來(lái)選擇合適的型號(hào)。如果是在寬溫環(huán)境下使用，LM2901是更合適的選擇。

總結(jié)

LM2901作為一款經(jīng)典的四路電壓比較器，憑借其靈活的集電極開(kāi)路輸出、寬電源電壓范圍、低功耗以及可靠的性能，在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。深入理解其引腳功能、工作原理和應(yīng)用特性，對(duì)于有效利用這款芯片至關(guān)重要。希望這份詳細(xì)的介紹能為您提供全面的參考。