今天是LM311芯片，主要是以下几个方面：

• 1、LM311是什么元件？
• 2、LM311 引脚功能
• 3、LM311 芯片工作原理
• 4、LM311正确使用方法
• 5、LM311 芯片特性参数
• 6、LM311 典型电路图

一、LM311是什么元件？

   

LM311 是一款高性价比的电压比较器，常用于漏水检测、灯光控制等多种比较器电路中，主要采用 8 引脚封装。

 

LM311实物图

二、LM311 引脚功能

 

LM311 引脚功能图

下面为 LM311 比较器的引脚功能：

• 引脚1：Emit out/发射极输出引脚；用作输出的晶体管发射极引脚。
• 引脚2：同相输入引脚（IN+）；提供了一个可变电压用于比较。
• 引脚3：反相输入（IN-）；接收一个固定电压，你可以将其与可变电压进行比较。
• 引脚4：地（VCC-）；连接到系统的地，你可以在此处施加负电压。
• 引脚5：平衡销；关闭直流偏移电压，还需要在失调和偏置时具有低输入电流。
• 引脚6：频闪输入/平衡；关闭输出级。
• 引脚7：COL OUT/ 集电极输出引脚；用作晶体管的集电极输出。
• 引脚8：VCC+；为运算放大器提供高达 +15V 的工作电源电压。

LM311 引脚功能

三、LM311芯片工作原理

 

LM311芯片引脚功能图
    LM311 可在 -15V 至 +15V 的宽电压范围内工作，并且可为 IC 逻辑提供高达 5V 的单电源电压。反相或同相电压范围必须在输入共模电压范围内。非反相输入电压施加在引脚号，并在引脚号反相。
针脚 5 和 6 用于偏移平衡和调整频闪功能，负直流电源电压施加在引脚号4 和引脚 8 处的正极。如果不应该使用这些引脚，则将它们短路在一起或保持开路。这两个条件都可以接受。    始终建议不要将选通引脚直接接地，输出在 COL OUT 处获得，即引脚号7 ，而引脚号1 接地。为了最小化噪声，应该在电源和地之间连接一个旁路电容。该电容未包含在引脚号4 。如果 LM311 使用单电源供电。在这种情况下它通常接地。LM311的简化原理图如下：

 
LM311的简化原理图

四、LM311正确使用方法

    LM311 是常用的线性比较器，广泛用于比较电路中。但是，LM311 在应用中经常会出现意想不到的问题，即输出的脉冲信号并不像理论分析的那么理想，而是在输出脉冲的前后沿附近出现高频振荡。    当高速比较器用于高速输入信号和低源阻抗输入信号时，正常的输出响应应该是快速和稳定的。但是，当输入信号为慢速变化信号或高阻抗信号源（1.0KΩ-10KΩ）时，比较器可能会在比较阈值点突然振荡，这是由比较器的高增益和宽带引起的，而干扰的存在也是造成这种振荡的直接原因之一。在应用中，为避免这种振荡和不稳定，因此，必须注意这种情况，尽量避免或消除高频振荡。

下面提出几种避免和克服振荡的有效方法：（关注公众号：电路一点通）

• 1、元器件的合理选择
• 2、增加输入信号的幅度
• 3、比较器输出加滤波装置
• 4、采用滞后技术

 
LM311电路图

 
输出脉冲前的高频振荡

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输出脉冲后的高频振荡

1、元器件的合理选择

    合理布置结构振荡的产生与结构的布置有很大关系。最好让输出信号远离输入引脚，也远离两个平衡引脚，因为反馈信号感应或接触任何引脚都可能引起振荡。如果比较器在输入端使用电阻，则其位置和值需要考虑清楚。电阻应放在插座附近，阻值一般应小于10K（甚至更小），正负电源应加0.1μ的滤波电容滤除电源的干扰，电容应靠近管脚放置。平衡的两端要妥善处理，不使用时可以将它们短接在一起。具体的可以参考 datasheet 使用。

2、增加输入信号的幅度

    输入信号幅度的大小与振荡直接相关。实验表明，信号幅度越小，频率越低，振荡的可能性越大。下面将对上述结论进行简要分析。如果有一个过零比较器，它的输入信号是 Vi=V0sinω0t t=0 时信号的斜率是：99
    输入信号斜率公式    △t时间内电压的变化量为：△Vi=K·△t=V0sinω0t，可见△Vi与V0、ω0成正比，即输入信号幅值越大，电压越高信号的频率，在Δt时间内，V的幅值变化较大。当dvi/dt足够大时，输入信号会很快越过比较门限，从而达到消除振荡的目的。    由于比较器的输入电压范围一般较宽（例如LM311的电压输入范围为±30V），因此这种方法最简单、最可行。实验证明，只要输入信号的幅度大于0.7V，就能在10Hz～60KHz范围内可靠工作。如果电压幅值继续增加，工作范围可以扩展到低频端。

3、在比较器的输出端加一个滤波器

    

在比较器输出端的上拉电阻两端接一个适当容量的电容，对滤除和减少振荡有明显的作用。电容的容量应根据实验确定，电容的容量不宜太大，否则输出脉冲的前沿会变差。在实验中发现，这种负面影响在频率较高时尤为严重。使脉冲幅度变小，使后级计数器不能工作，情况见图。因此，这种方法在应用上有一定的局限性，合理选用电容是应用这种方法的关键。    当然，劣化的前沿可以通过具有整形功能的74LS14来恢复。这种方法的负面影响是将原始脉冲前沿向后移动。本设计中取电容C=0.01μ。在系统要求的范围内，电路中能可靠工作的上拉电阻值不宜太大。在本设计中，R=510Ω。

 
较高频率下的脉冲幅度

4、采用滞后技术

    

在比较电路中，当输入信号达到比较电平时，比较器应立即翻转，但如果被测信号叠加一定量的干扰，则可能导致比较器在比较电平附近振荡，如图如下图。

 
普通过零比较器的输出1212具有滞后技术的输出    克服比较器振荡的有效方法是采用迟滞技术，即在其同相端加入少量的正反馈，迟滞比较器的比较电平不再是单一电平，而是具有接近原始比较电平的两个电压。对于下面的的电路，上比较电平用V+H表示，下比较电平用V+L表示。

 

具有两个电平的电路
    迟滞电压可以通过 R1 和 R2 来调节。只要正确选择迟滞电压，就可以消除比较电路的振荡现象。因此抗干扰能力大大提高，但迟滞电平△V的存在会使检测灵敏度变差。因此，△V不宜过大，通常R 1≤R2，对于LM311比较器，加3mv的迟滞即可消除电路中的振荡。

 

迟滞电压公式
    总之，LM311在应用中出现问题的原因是多方面的。因此，在使用时一定要慎重考虑，分别对待，只有这样，我们才能正确使用LM311。

五、LM311 芯片特性参数

    LM311的一些技术指标和芯片特性包括：

• 供电范围很广。例如，其双电源范围为 ±2.5V 至 ±15V，而其单电源范围为 5V 至 30V。
• 其输出和输入与系统接地隔离开来。
• 具有低功耗设计，可以操作大多数 MOS 和 TTL 负载。
• 驱动高达 50mA 和 50V 的负载。
• 具有频闪功能和偏移平衡能力。
• 可以通过两个运算放大器的单电源提供可靠的操作。
• 封装比较多：8 引脚 PDIP、8 引脚 SOIC、8 引脚 SO 和 8 引脚 TSSOP 封装。
• VCC+ 引脚的最大电流为 7.5mA。

    

更为具体的可以参考下面的图：

 

M311 芯片特性参数

六、LM311 D典型电路图

1、LM311 电压比较器电路

 

LM311 电压比较器电路
    LM311电压比较器电路图有以下特点和注意事项：

• 滑动变阻器分压，可选择最大阻值。
• 如果要做一个过零比较器，3脚直接接地。
• 输出端的上拉电阻和管脚 1 应接地。

    电压比较器LM311共有8个引脚。其中第7个管脚为输出，为集电极开路结构，即所谓集电极开路门，简称OC门。它的作用是满足一些特殊的需求，比如驱动LED、灯、继电器，以及与以下数字电路的电平兼容。    因此，当应该输出高电平时，将不会获得高电平。需要在正电源的7脚和8脚之间接一个电阻，比如1kΩ左右，使集电极不再开路。

2、LM311 过零检测器电路

   

LM311 芯片最简单的应用之一是过零检测电路，如下图所示：

 

LM311 过零检测器电路
    与其他比较器一样，如果同相输入端的电压大于反相端的电压，则输出比较器将为高电平。否则，输出将为逻辑低电平。我们可以使用相同的概念来设计过零检测电路。    在上面的示意图中，我们在同相输入端施加交流信号，并将反相输入端接地。当同相输入端的信号达到零电压值时，两个输入引脚的电压幅度变得相等，你将在比较器的输出端看到一个脉冲，如下所示：

 

LM311 过零检测器电路

3、LM311气体检测电路

 

LM311 气体检测电路
    集成电压比较器 LM311的 3端有5V的恒定输入。由于传感器输出电流与室内气体（烟雾）浓度成正比，即：I = kC

• I：传感器输出电流
• C：室内气体浓度
• k：比例常数

    因此，我们可以利用传感器和电位器 1R 将气体浓度转换成电压信号输入到 LM311 的2号端子（即V=kC*1R）。    电压比较器可以将模拟信号转换成二进制信号。LM311 是一款低开环增益、大失调电压、低共模抑制比的通用集成比较器，但响应速度快，传输延迟时间短，可直接向单片机输入高电平信号。    从以上分析可以看出，可以通过调节电位器的阻值来调节室内报警浓度的上限。

4、LM311光控电路

    

下面这个电路基于电压比较器集成电路LM311，IC1同相输入端的电阻 R3 和 R4 提供 6V 参考电压。由于光敏电阻在黑暗中阻值可达数兆欧，当反相输入端电位为高电平，比较器为低电平时，Q1 不导通，继电器不吸合。    反之，由于光敏电阻点亮时的阻值为 5-10K，当反相输入端电位为低电平时，比较器输出为高电平，当 Q1 导通时，继电器吸合。交换 LM311 输入+-，情况正好相反。通过调节 R1，我们可以设置启动继电器的照度。

 

LM311 光控制器电路

5、LM311 漏水检测电路

    

漏水检测仪原理：当接水板的两个电极之间漏水时，两个电极之间的电阻值会发生很大的变化，从而可以检测出是否漏水。    桥式电路是通过比较方法测量各种物理量的电路。最简单的是由四个支路组成的电路，每个支路称为电桥的“臂”。在实际的检测电路中，利用电桥电路在检测电阻方面的优良特性，通过电压检测电桥来检测电阻值的变化。

 

LM311 漏水检测电路

    可以认为漏水检测电极是一个可变电阻，作为电桥的一个支路，其余三个支路的阻值相同。比电阻值可以根据漏水电极在有水和无水情况下的电阻值来确定。范围应在有水时的电阻值和无水时的电阻值之间，中间值可作为剩余的三路电阻值。    在检测电桥中，如果检测电极没有漏水，则其电阻值较大，所以V+﹥V﹣，即V_id﹥0，V_out﹥0。    如果检测电极漏水，其电阻值较小，所以V+﹤V﹣，即：V_id﹤0，V_out﹤0。这样就可以准确地检测出是否漏水。换言之，电压比较器 LM311的输出电平的高低代表有无漏水。

 

泄漏传感器 PCB
    在设计 LM311比较器电路时要注意，当高速比较器用于高速输入信号和低源阻抗输入信号时，正常的输出响应要快且稳定。    但当输入信号为缓变信号或高阻信号源时，比较器可能会在比较阈值点处振荡，这是由于比较器的高增益和宽带造成的，干扰的存在也会造成这种情况。直接原因之一。在应用中，我们必须避免这种振荡和不稳定。振荡的产生与结构的排列有很大关系。    信号输出端应远离输入引脚，也应远离两个平衡端引脚。正负电源应加滤波电容，滤除电源的干扰，电容应靠近引脚放置。增加输入信号的幅度以减少振荡的可能性。在比较器的输出端拉一个电阻，两端接一个适当容量的电容，对滤波和减振有显着的作用。

6、热传感器

 

使用LM311 IC的热传感器基本电路图

• LM311 处于比较器模式。
• 此外，它还具有无源元件，例如用作热传感器的 10K（负温度系数）NTC热敏电阻。
• 电路中的 20K 可变电阻设置推荐的发热量水平。
• LED 灯泡充当 LM311 输出。
• 当热敏电阻周围的热量增加到其预设水平时，由于 LM311 IC输出 增加，LED 会亮起。

7、LM311构成的TTL逻辑电平接口电路

 

LM311构成的TTL逻辑电平接口电路
    该电路可以将非标准输入信号变为符合规则逻辑电平要求的脉宽信号，即高电平为5V，低电平为0V。

8、其他应用

• 自由运行的多谐振荡器
• 磁换能器检测器
• 晶振
• 比较器和螺线管驱动器
• 低压可调电源
• MOS逻辑驱动器
• 精密平方器
• 数字传输隔离器
• 正峰值检测器
• 负峰值检测器
• 精密光电二极管比较器
• 带频闪的继电器驱动器
• 开关功放
• 车身控制模块
• 白色家电
• 自动化项目

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