LM331工作原理

LM331工作原理
一、LM331内部电路图及各管脚定义
图1 LM331内部电路图
LM331内部有输入比较电路、定时比较电路、R-S触发电路、复零晶体管、输出驱动管、能隙基准电路、精密电流源电路、电子开关、复位晶体管等部分。

输出管采用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。

此外，LM331可采用单/双电源供电，电压范围为4,40V，输出也高达40V。

下面就以以电压转换频率为例，介绍各引脚的作用，Ir(PIN1)为电流源输出端，在Fo(PIN3)输出逻辑低电平时，电流源，r输出对电容,L充电。

引脚2(PIN2)为增益调整，改变,,的值可调节电路转换增益的大小。

Fo(PIN3)为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由,t 和,t决定。

引脚4(PIN4)为电源地。

引脚5(PIN5)为定时比较器正相输入端。

引脚6(PIN6)为输入比较器反相输入端。

引脚7(PIN7)为输入比较器正相输入端。

引脚8(PIN8)为电源正端。

二、LM331频率-电压转换工作原理
图2 LM331的频率-电压转换原理图
HFBR2412由光信号转为电信号，输出低电平到6N137的3脚，此时5V电压通过R14降压后，输入6N137的2脚使发光二极管发光，经片内光通道传到光敏二极管反向偏置的光敏
管光照后导通，经电流-电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另
一个输入为使能端当使能端为高时与门输出高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。

脉冲信号由6脚输出，输出到C15与R15组成微分电路加到LM331的6脚，6脚使LM331内部输入比较器的反向输入端，7脚通过12V由R16、
R19分压后到输入比较器的同向输入端。

当输入脉冲的下降沿到来时，经微分电路R1、C1产生一负尖脉冲叠加到反相输入端的上，当负向尖脉冲大于Vcc/3即4V 时，输入比较器输出高电平使内部的R-S触发器置位，此时电流开关打向右边，电流源通过LM331的1脚对电容C17充电，同时，复零晶体管导通，定时电容C16迅速放电，完成一次充放电过程。

此后，每当输入脉冲的下降沿到来时，电路重复上述的工作过程。

C17放电输出电压到LM258的正向输入端，LM258为电压跟随器，1脚输出电压通过R21降压，通过电位器W4的调节，输出需要的电压DSVref。

三、LM331频率-电压转换计算公式
Vo=I×(1.1RtCt)×Fi×Rl
Vo即1脚输出电压
式中I是恒流电流I=1.90V/Rs
式中1.90V是LM331内部的基准电压(即2脚上的电压)
Vo=2.09RtCtRlFi/Rs
本电路中Rt=R18=6.8KΩ, Ct=C16=10000PF, RL=R19=100KΩ，
Rs=R17+W3电位器阻值=10KΩ+(1- 5)KΩ
假如取Rs=12KΩ,计算可得:
Vo = 0.00184Fi
若Fi=1KHZ时，Vo=1.184V
四、LM331电压转换功率原理
图3 LM331 电压-频率转换原理图
当基准2+ Vref2通过R4和C5组成的RC滤波电路输入到LM331的7脚Vin ，当输入端
Vin输入正电压时，芯片内部的输入比较器输出高电平，使内部的R,S触发器置位，输出高电平，使芯片内部输出驱动管导通，3脚输出端f0为逻辑低电平。

同时VCC电源+12V也通过电阻R12对电容C8充电。

当电容C8两端充电电压大于Vcc的2/3即+8V时，芯片内部定时比较器输出一高电平，使R,S触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，3脚输出端f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容C8通过复零晶体管迅速放电;电子开关使电容C7对电阻R11放电。

当电容C7放电电压等于输入电压Vin时，输入比较器再次输出高电平，使R,S触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。

输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比，从而实现了电压,频率变换。

由3脚输出的脉冲频率f0，输入到HFBR1414的3脚，从而使芯片内部的发光二极管导通，通过光电转换作用，使HFBR1414输出光纤信号基准2。

五、LM331电压-频率转换计算公式
根据芯片资料介绍设电容CL的充电时间为t1，放电时间为t2，则根据电容C7上电荷平衡的原理，我们有: (Ir,VL/RL)t1=t2VL/RL 从上式可得: fo=1/(t1，t2)=VL/(RL*Ir*t1)
实际上，该电路的VL在很少的范围内(大约10mV)波动，因此，可认为
VL=Vi，故上式可以表示为:fo==Vi/(RL*Ir*t1)，
Ir=1.90/Rs式中1.90V是LM331内部的基准电压(即2脚上的电压)
t1=1.1RtCt
故得到最终电压-频率转换计算公式
Fo=Vi.Rs/1.90*1.1RtCtRL=ViRs/2.09RtCtRL
本电路中Rs=R5+RP2电压=10K -
20K,Rt=R8=6.8K,Ct=C8=10000PF,RL=R11=100K, 当Rs=12K时，Fo=844Vi，故当Vi=1V 时，、Fo=844HZ。