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
• 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/發射極輸出引腳；用作輸出的晶體管發射極引腳。
• 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行比較。
• 引腳4：地（VCC-）；連接到系統的地，你可以在此處施加負電壓。
• 引腳5：平衡銷；關閉直流偏移電壓，還需要在失調和偏置時具有低輸入電流。
• 引腳6：頻閃輸入/平衡；關閉輸出級。
• 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+；為運算放大器提供高達 +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 的寬電壓范圍內工作，并且可為 IC 邏輯提供高達 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。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 用于偏移平衡和調整頻閃功能，負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 在應用中經常會出現意想不到的問題，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高頻振蕩。    當高速比較器用于高速輸入信號和低源阻抗輸入信號時，正常的輸出響應應該是快速和穩定的。但是，當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。在應用中，為避免這種振蕩和不穩定，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：（關注公眾號：電路一點通）

• 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

 
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

    合理布置結構振蕩的產生與結構的布置有很大關系。最好讓輸出信號遠離輸入引腳，也遠離兩個平衡引腳，因為反饋信號感應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。電阻應放在插座附近，阻值一般應小于10K（甚至更小），正負電源應加0.1μ的濾波電容濾除電源的干擾，電容應靠近管腳放置。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。實驗表明，信號幅度越小，頻率越低，振蕩的可能性越大。下面將對上述結論進行簡要分析。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，V的幅值變化較大。當dvi/dt足夠大時，輸入信號會很快越過比較門限，從而達到消除振蕩的目的。    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。實驗證明，只要輸入信號的幅度大于0.7V，就能在10Hz～60KHz范圍內可靠工作。如果電壓幅值繼續增加，工作范圍可以擴展到低頻端。

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。電容的容量應根據實驗確定，電容的容量不宜太大，否則輸出脈沖的前沿會變差。在實驗中發現，這種負面影響在頻率較高時尤為嚴重。使脈沖幅度變小，使后級計數器不能工作，情況見圖。因此，這種方法在應用上有一定的局限性，合理選用電容是應用這種方法的關鍵。    當然，劣化的前沿可以通過具有整形功能的74LS14來恢復。這種方法的負面影響是將原始脈沖前沿向后移動。本設計中取電容C=0.01μ。在系統要求的范圍內，電路中能可靠工作的上拉電阻值不宜太大。在本設計中，R=510Ω。

 
較高頻率下的脈沖幅度

4、采用滯后技術

    

在比較電路中，當輸入信號達到比較電平時，比較器應立即翻轉，但如果被測信號疊加一定量的干擾，則可能導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具有滯后技術的輸出    克服比較器振蕩的有效方法是采用遲滯技術，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 來調節。只要正確選擇遲滯電壓，就可以消除比較電路的振蕩現象。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在應用中出現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

    LM311的一些技術指標和芯片特性包括：

• 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接地隔離開來。
• 具有低功耗設計，可以操作大多數 MOS 和 TTL 負載。
• 驅動高達 50mA 和 50V 的負載。
• 具有頻閃功能和偏移平衡能力。
• 可以通過兩個運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

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和注意事項：

• 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，為集電極開路結構，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，比如驅動LED、燈、繼電器，以及與以下數字電路的電平兼容。    因此，當應該輸出高電平時，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計過零檢測電路。    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。當同相輸入端的信號達到零電壓值時，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氣體（煙霧）濃度成正比，即：I = kC

• I：傳感器輸出電流
• C：室內氣體濃度
• k：比例常數

    因此，我們可以利用傳感器和電位器 1R 將氣體濃度轉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換成二進制信號。LM311 是一款低開環增益、大失調電壓、低共模抑制比的通用集成比較器，但響應速度快，傳輸延遲時間短，可直接向單片機輸入高電平信號。    從以上分析可以看出，可以通過調節電位器的阻值來調節室內報警濃度的上限。

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數兆歐，當反相輸入端電位為高電平，比較器為低電平時，Q1 不導通，繼電器不吸合。    反之，由于光敏電阻點亮時的阻值為 5-10K，當反相輸入端電位為低電平時，比較器輸出為高電平，當 Q1 導通時，繼電器吸合。交換 LM311 輸入+-，情況正好相反。通過調節 R1，我們可以設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”。在實際的檢測電路中，利用電橋電路在檢測電阻方面的優良特性，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。比電阻值可以根據漏水電極在有水和無水情況下的電阻值來確定。范圍應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
    在設計 LM311比較器電路時要注意，當高速比較器用于高速輸入信號和低源阻抗輸入信號時，正常的輸出響應要快且穩定。    但當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。在應用中，我們必須避免這種振蕩和不穩定。振蕩的產生與結構的排列有很大關系。    信號輸出端應遠離輸入引腳，也應遠離兩個平衡端引腳。正負電源應加濾波電容，濾除電源的干擾，電容應靠近引腳放置。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（負溫度系數）NTC熱敏電阻。
• 電路中的 20K 可變電阻設置推薦的發熱量水平。
• LED 燈泡充當 LM311 輸出。
• 當熱敏電阻周圍的熱量增加到其預設水平時，由于 LM311 IC輸出 增加，LED 會亮起。

7、LM311構成的TTL邏輯電平接口電路

 

LM311構成的TTL邏輯電平接口電路
    該電路可以將非標準輸入信號變為符合規則邏輯電平要求的脈寬信號，即高電平為5V，低電平為0V。

8、其他應用

• 自由運行的多諧振蕩器
• 磁換能器檢測器
• 晶振
• 比較器和螺線管驅動器
• 低壓可調電源
• MOS邏輯驅動器
• 精密平方器
• 數字傳輸隔離器
• 正峰值檢測器
• 負峰值檢測器
• 精密光電二極管比較器
• 帶頻閃的繼電器驅動器
• 開關功放
• 車身控制模塊
• 白色家電
• 自動化項目

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