今天是LM311芯片，主要是以下幾個方面：

• 1、LM311是什么元件？
• 2、LM311 引腳功能
• 3、LM311 芯片工作原理
• 4、LM311正確使用方法
• 5、LM311 芯片特性參數(shù)
• 6、LM311 典型電路圖

一、LM311是什么元件？

   

LM311 是一款高性價比的電壓比較器，常用于漏水檢測、燈光控制等多種比較器電路中，主要采用 8 引腳封裝。

 

LM311實(shí)物圖

二、LM311 引腳功能

 

LM311 引腳功能圖

下面為 LM311 比較器的引腳功能：

• 引腳1：Emit out/發(fā)射極輸出引腳；用作輸出的晶體管發(fā)射極引腳。
• 引腳2：同相輸入引腳（IN+）；提供了一個可變電壓用于比較。
• 引腳3：反相輸入（IN-）；接收一個固定電壓，你可以將其與可變電壓進(jìn)行比較。
• 引腳4：地（VCC-）；連接到系統(tǒng)的地，你可以在此處施加負(fù)電壓。
• 引腳5：平衡銷；關(guān)閉直流偏移電壓，還需要在失調(diào)和偏置時具有低輸入電流。
• 引腳6：頻閃輸入/平衡；關(guān)閉輸出級。
• 引腳7：COL OUT/ 集電極輸出引腳；用作晶體管的集電極輸出。
• 引腳8：VCC+；為運(yùn)算放大器提供高達(dá) +15V 的工作電源電壓。

LM311 引腳功能

三、LM311芯片工作原理

 

LM311芯片引腳功能圖
    LM311 可在 -15V 至 +15V 的寬電壓范圍內(nèi)工作，并且可為 IC 邏輯提供高達(dá) 5V 的單電源電壓。反相或同相電壓范圍必須在輸入共模電壓范圍內(nèi)。非反相輸入電壓施加在引腳號，并在引腳號反相。
針腳 5 和 6 用于偏移平衡和調(diào)整頻閃功能，負(fù)直流電源電壓施加在引腳號4 和引腳 8 處的正極。如果不應(yīng)該使用這些引腳，則將它們短路在一起或保持開路。這兩個條件都可以接受。    始終建議不要將選通引腳直接接地，輸出在 COL OUT 處獲得，即引腳號7 ，而引腳號1 接地。為了最小化噪聲，應(yīng)該在電源和地之間連接一個旁路電容。該電容未包含在引腳號4 。如果 LM311 使用單電源供電。在這種情況下它通常接地。LM311的簡化原理圖如下：

 
LM311的簡化原理圖

四、LM311正確使用方法

    LM311 是常用的線性比較器，廣泛用于比較電路中。但是，LM311 在應(yīng)用中經(jīng)常會出現(xiàn)意想不到的問題，即輸出的脈沖信號并不像理論分析的那么理想，而是在輸出脈沖的前后沿附近出現(xiàn)高頻振蕩。    當(dāng)高速比較器用于高速輸入信號和低源阻抗輸入信號時，正常的輸出響應(yīng)應(yīng)該是快速和穩(wěn)定的。但是，當(dāng)輸入信號為慢速變化信號或高阻抗信號源（1.0KΩ-10KΩ）時，比較器可能會在比較閾值點(diǎn)突然振蕩，這是由比較器的高增益和寬帶引起的，而干擾的存在也是造成這種振蕩的直接原因之一。在應(yīng)用中，為避免這種振蕩和不穩(wěn)定，因此，必須注意這種情況，盡量避免或消除高頻振蕩。

下面提出幾種避免和克服振蕩的有效方法：（關(guān)注公眾號：電路一點(diǎn)通）

• 1、元器件的合理選擇
• 2、增加輸入信號的幅度
• 3、比較器輸出加濾波裝置
• 4、采用滯后技術(shù)

 
LM311電路圖

 
輸出脈沖前的高頻振蕩

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輸出脈沖后的高頻振蕩

1、元器件的合理選擇

    合理布置結(jié)構(gòu)振蕩的產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)的布置有很大關(guān)系。最好讓輸出信號遠(yuǎn)離輸入引腳，也遠(yuǎn)離兩個平衡引腳，因?yàn)榉答佇盘柛袘?yīng)或接觸任何引腳都可能引起振蕩。如果比較器在輸入端使用電阻，則其位置和值需要考慮清楚。電阻應(yīng)放在插座附近，阻值一般應(yīng)小于10K（甚至更小），正負(fù)電源應(yīng)加0.1μ的濾波電容濾除電源的干擾，電容應(yīng)靠近管腳放置。平衡的兩端要妥善處理，不使用時可以將它們短接在一起。具體的可以參考 datasheet 使用。

2、增加輸入信號的幅度

    輸入信號幅度的大小與振蕩直接相關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，信號幅度越小，頻率越低，振蕩的可能性越大。下面將對上述結(jié)論進(jìn)行簡要分析。如果有一個過零比較器，它的輸入信號是 Vi=V0sinω0t t=0 時信號的斜率是：99
    輸入信號斜率公式    △t時間內(nèi)電壓的變化量為：△Vi=K·△t=V0sinω0t，可見△Vi與V0、ω0成正比，即輸入信號幅值越大，電壓越高信號的頻率，在Δt時間內(nèi)，V的幅值變化較大。當(dāng)dvi/dt足夠大時，輸入信號會很快越過比較門限，從而達(dá)到消除振蕩的目的。    由于比較器的輸入電壓范圍一般較寬（例如LM311的電壓輸入范圍為±30V），因此這種方法最簡單、最可行。實(shí)驗(yàn)證明，只要輸入信號的幅度大于0.7V，就能在10Hz～60KHz范圍內(nèi)可靠工作。如果電壓幅值繼續(xù)增加，工作范圍可以擴(kuò)展到低頻端。

3、在比較器的輸出端加一個濾波器

    

在比較器輸出端的上拉電阻兩端接一個適當(dāng)容量的電容，對濾除和減少振蕩有明顯的作用。電容的容量應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定，電容的容量不宜太大，否則輸出脈沖的前沿會變差。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這種負(fù)面影響在頻率較高時尤為嚴(yán)重。使脈沖幅度變小，使后級計(jì)數(shù)器不能工作，情況見圖。因此，這種方法在應(yīng)用上有一定的局限性，合理選用電容是應(yīng)用這種方法的關(guān)鍵。    當(dāng)然，劣化的前沿可以通過具有整形功能的74LS14來恢復(fù)。這種方法的負(fù)面影響是將原始脈沖前沿向后移動。本設(shè)計(jì)中取電容C=0.01μ。在系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)，電路中能可靠工作的上拉電阻值不宜太大。在本設(shè)計(jì)中，R=510Ω。

 
較高頻率下的脈沖幅度

4、采用滯后技術(shù)

    

在比較電路中，當(dāng)輸入信號達(dá)到比較電平時，比較器應(yīng)立即翻轉(zhuǎn)，但如果被測信號疊加一定量的干擾，則可能導(dǎo)致比較器在比較電平附近振蕩，如圖如下圖。

 
普通過零比較器的輸出1212具有滯后技術(shù)的輸出    克服比較器振蕩的有效方法是采用遲滯技術(shù)，即在其同相端加入少量的正反饋，遲滯比較器的比較電平不再是單一電平，而是具有接近原始比較電平的兩個電壓。對于下面的的電路，上比較電平用V+H表示，下比較電平用V+L表示。

 

具有兩個電平的電路
    遲滯電壓可以通過 R1 和 R2 來調(diào)節(jié)。只要正確選擇遲滯電壓，就可以消除比較電路的振蕩現(xiàn)象。因此抗干擾能力大大提高，但遲滯電平△V的存在會使檢測靈敏度變差。因此，△V不宜過大，通常R 1≤R2，對于LM311比較器，加3mv的遲滯即可消除電路中的振蕩。

 

遲滯電壓公式
    總之，LM311在應(yīng)用中出現(xiàn)問題的原因是多方面的。因此，在使用時一定要慎重考慮，分別對待，只有這樣，我們才能正確使用LM311。

五、LM311 芯片特性參數(shù)

    LM311的一些技術(shù)指標(biāo)和芯片特性包括：

• 供電范圍很廣。例如，其雙電源范圍為 ±2.5V 至 ±15V，而其單電源范圍為 5V 至 30V。
• 其輸出和輸入與系統(tǒng)接地隔離開來。
• 具有低功耗設(shè)計(jì)，可以操作大多數(shù) MOS 和 TTL 負(fù)載。
• 驅(qū)動高達(dá) 50mA 和 50V 的負(fù)載。
• 具有頻閃功能和偏移平衡能力。
• 可以通過兩個運(yùn)算放大器的單電源提供可靠的操作。
• 封裝比較多：8 引腳 PDIP、8 引腳 SOIC、8 引腳 SO 和 8 引腳 TSSOP 封裝。
• VCC+ 引腳的最大電流為 7.5mA。

    

更為具體的可以參考下面的圖：

 

M311 芯片特性參數(shù)

六、LM311 D典型電路圖

1、LM311 電壓比較器電路

 

LM311 電壓比較器電路
    LM311電壓比較器電路圖有以下特點(diǎn)和注意事項(xiàng)：

• 滑動變阻器分壓，可選擇最大阻值。
• 如果要做一個過零比較器，3腳直接接地。
• 輸出端的上拉電阻和管腳 1 應(yīng)接地。

    電壓比較器LM311共有8個引腳。其中第7個管腳為輸出，為集電極開路結(jié)構(gòu)，即所謂集電極開路門，簡稱OC門。它的作用是滿足一些特殊的需求，比如驅(qū)動LED、燈、繼電器，以及與以下數(shù)字電路的電平兼容。    因此，當(dāng)應(yīng)該輸出高電平時，將不會獲得高電平。需要在正電源的7腳和8腳之間接一個電阻，比如1kΩ左右，使集電極不再開路。

2、LM311 過零檢測器電路

   

LM311 芯片最簡單的應(yīng)用之一是過零檢測電路，如下圖所示：

 

LM311 過零檢測器電路
    與其他比較器一樣，如果同相輸入端的電壓大于反相端的電壓，則輸出比較器將為高電平。否則，輸出將為邏輯低電平。我們可以使用相同的概念來設(shè)計(jì)過零檢測電路。    在上面的示意圖中，我們在同相輸入端施加交流信號，并將反相輸入端接地。當(dāng)同相輸入端的信號達(dá)到零電壓值時，兩個輸入引腳的電壓幅度變得相等，你將在比較器的輸出端看到一個脈沖，如下所示：

 

LM311 過零檢測器電路

3、LM311氣體檢測電路

 

LM311 氣體檢測電路
    集成電壓比較器 LM311的 3端有5V的恒定輸入。由于傳感器輸出電流與室內(nèi)氣體（煙霧）濃度成正比，即：I = kC

• I：傳感器輸出電流
• C：室內(nèi)氣體濃度
• k：比例常數(shù)

    因此，我們可以利用傳感器和電位器 1R 將氣體濃度轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入到 LM311 的2號端子（即V=kC*1R）。    電壓比較器可以將模擬信號轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制信號。LM311 是一款低開環(huán)增益、大失調(diào)電壓、低共模抑制比的通用集成比較器，但響應(yīng)速度快，傳輸延遲時間短，可直接向單片機(jī)輸入高電平信號。    從以上分析可以看出，可以通過調(diào)節(jié)電位器的阻值來調(diào)節(jié)室內(nèi)報(bào)警濃度的上限。

4、LM311光控電路

    

下面這個電路基于電壓比較器集成電路LM311，IC1同相輸入端的電阻 R3 和 R4 提供 6V 參考電壓。由于光敏電阻在黑暗中阻值可達(dá)數(shù)兆歐，當(dāng)反相輸入端電位為高電平，比較器為低電平時，Q1 不導(dǎo)通，繼電器不吸合。    反之，由于光敏電阻點(diǎn)亮?xí)r的阻值為 5-10K，當(dāng)反相輸入端電位為低電平時，比較器輸出為高電平，當(dāng) Q1 導(dǎo)通時，繼電器吸合。交換 LM311 輸入+-，情況正好相反。通過調(diào)節(jié) R1，我們可以設(shè)置啟動繼電器的照度。

 

LM311 光控制器電路

5、LM311 漏水檢測電路

    

漏水檢測儀原理：當(dāng)接水板的兩個電極之間漏水時，兩個電極之間的電阻值會發(fā)生很大的變化，從而可以檢測出是否漏水。    橋式電路是通過比較方法測量各種物理量的電路。最簡單的是由四個支路組成的電路，每個支路稱為電橋的“臂”。在實(shí)際的檢測電路中，利用電橋電路在檢測電阻方面的優(yōu)良特性，通過電壓檢測電橋來檢測電阻值的變化。

 

LM311 漏水檢測電路

    可以認(rèn)為漏水檢測電極是一個可變電阻，作為電橋的一個支路，其余三個支路的阻值相同。比電阻值可以根據(jù)漏水電極在有水和無水情況下的電阻值來確定。范圍應(yīng)在有水時的電阻值和無水時的電阻值之間，中間值可作為剩余的三路電阻值。    在檢測電橋中，如果檢測電極沒有漏水，則其電阻值較大，所以V+﹥V﹣，即V_id﹥0，V_out﹥0。    如果檢測電極漏水，其電阻值較小，所以V+﹤V﹣，即：V_id﹤0，V_out﹤0。這樣就可以準(zhǔn)確地檢測出是否漏水。換言之，電壓比較器 LM311的輸出電平的高低代表有無漏水。

 

泄漏傳感器 PCB
    在設(shè)計(jì) LM311比較器電路時要注意，當(dāng)高速比較器用于高速輸入信號和低源阻抗輸入信號時，正常的輸出響應(yīng)要快且穩(wěn)定。    但當(dāng)輸入信號為緩變信號或高阻信號源時，比較器可能會在比較閾值點(diǎn)處振蕩，這是由于比較器的高增益和寬帶造成的，干擾的存在也會造成這種情況。直接原因之一。在應(yīng)用中，我們必須避免這種振蕩和不穩(wěn)定。振蕩的產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)的排列有很大關(guān)系。    信號輸出端應(yīng)遠(yuǎn)離輸入引腳，也應(yīng)遠(yuǎn)離兩個平衡端引腳。正負(fù)電源應(yīng)加濾波電容，濾除電源的干擾，電容應(yīng)靠近引腳放置。增加輸入信號的幅度以減少振蕩的可能性。在比較器的輸出端拉一個電阻，兩端接一個適當(dāng)容量的電容，對濾波和減振有顯著的作用。

6、熱傳感器

 

使用LM311 IC的熱傳感器基本電路圖

• LM311 處于比較器模式。
• 此外，它還具有無源元件，例如用作熱傳感器的 10K（負(fù)溫度系數(shù)）NTC熱敏電阻。
• 電路中的 20K 可變電阻設(shè)置推薦的發(fā)熱量水平。
• LED 燈泡充當(dāng) LM311 輸出。
• 當(dāng)熱敏電阻周圍的熱量增加到其預(yù)設(shè)水平時，由于 LM311 IC輸出 增加，LED 會亮起。

7、LM311構(gòu)成的TTL邏輯電平接口電路

 

LM311構(gòu)成的TTL邏輯電平接口電路
    該電路可以將非標(biāo)準(zhǔn)輸入信號變?yōu)榉�合�?guī)則邏輯電平要求的脈寬信號，即高電平為5V，低電平為0V。

8、其他應(yīng)用

• 自由運(yùn)行的多諧振蕩器
• 磁換能器檢測器
• 晶振
• 比較器和螺線管驅(qū)動器
• 低壓可調(diào)電源
• MOS邏輯驅(qū)動器
• 精密平方器
• 數(shù)字傳輸隔離器
• 正峰值檢測器
• 負(fù)峰值檢測器
• 精密光電二極管比較器
• 帶頻閃的繼電器驅(qū)動器
• 開關(guān)功放
• 車身控制模塊
• 白色家電
• 自動化項(xiàng)目

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