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十二月 6 2019

LM311的使用注意事项

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LM311LM311TexasInstruments(德州仪器)通用200nsTTL/DTL/RTL/MOSCompatible

  LM311是一种常用的线性比较器,它广泛应用于比较及整形电路中,见图1,但LM311在应用中却经常出现意想不到的问题,即其输出的脉冲信号并不象理论分析那样理想,而是在输出的脉冲前后沿附近出现高频振荡,见图2 、图3 ,当LM311的输入信号Vi幅度越小,频率越低,则高频振荡越严重。这种含有高频振荡的波形是不能直接使用的,它会给后续电路,如测频,带来误动作,因此,这种情况必须引起注意,设法避免或消除高频振荡。下面将对产生振荡的原因作扼要的分析,同时在实验的基础上提出几种有效地避免消除振荡的方法。

LM311电路图

图1 LM311电路图

输出脉冲前的高频振荡

图2 输出脉冲前的高频振荡.jpg

输出脉冲后的高频振荡

图3 输出脉冲后的高频振荡

  当一个高速比较器被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,然而当输入的信号是缓变信号或高阻信号源(1.0KΩ一10KΩ),比较器可能会在比较阀值点猝然振荡,这是由于比较器的高增益和宽带造成的,干扰的存在也是造成这种振荡的直接原因之一。在应用中,要避免这种振荡和不稳定,应预先仔细考虑,统筹安排,以下将提出几种避免和克服振荡的有效方法

  1、合理选择元件

  合理安排结构振荡的产生与结构的安排有很大关系。输出信号最好远离输入端管脚,也应远离两平衡端管脚,因为反馈信号感应或触及任何管脚几乎都可能引起振荡。若比较器在输入端使用电阻时,其位置和阻值是值得考虑的。电阻应安放在管座的附近,一般阻值应小于10 K (甚至更小) ,使用时可参阅相应的手册。正负电源应加0 .1μ的滤波电容,滤除电源的干扰,并且将电容放在管脚 附近。两平衡端应做适当处理,不用时可将它们短接在一起,具体使用时可参阅有关手册。

  2、增大输入信号的幅度

  输入信号幅度的大小与产生振荡有直接关系。实验表明:信号幅度越小,频率越低产生振荡的可能性就越大。下面将对以上的结论做简单的分析。若有一过零比较器,其输入信号为Vi=V0sinω0t信号在t=0点的斜率为:

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  在△t 时间内电压的变化量为:△Vi= K·△t=V0sinω0t ,由此可见,△Vi与V0,ω0成 正比,即输入信号的幅度越大,信号的频率越高,则在△t 时间内,V 的幅度变化量就越长,当dvi/dt足够大时 ,输入信号就会迅速越过比较门限,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都比较宽(如 : LM311的电压输入范围为士30V),因此,这种方法是最简易可行的。实验证明,只要输入信号的幅度大于0.7V,本设计能在10Hz ~ 60KHz的范围内可靠工作,继续加大电压幅度,工作的范围可向低频端延深。

  3、在比较器的输出端加滤波电器

  在比较器的输出端上拉电阻两端并接一个容量适当的电容,对滤除和减弱振荡有显著效果。电容的容量应在实验的基础上确定,电容的容量不宜太大,否则会使输出脉冲的前沿变坏,实验中发现:这种负作用,在频率较高时,表现得尤为严重,甚至会使脉冲幅度变小,使后级的计数器不能工作,情形见图4 。因此这种方法在应用中有一定的局限性,合理选择电容是应用这种方法的关 键。当然变坏的前沿可由具有整形作用的74LS14 来重新恢复,这种作法的负作用是使原来的脉冲前沿向后偏移,本设计中取电容C=0.01μ,在系统要求的范围内,电路能可靠工作上拉电阻的值也不 能太大,本设计取R=510Ω。

频率较高时的脉冲幅度

图4 频率较高时的脉冲幅度

  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,但若被测信号叠加一定的干扰时,可能使比较器在比较电平附近产生振荡,出现下图的情形(图5、图6)。

普通的过零比较器的输出

图5 普通的过零比较器的输出

采用滞后技术的输出

图6 采用滞后技术的输出

  克服比较器振荡的有效方法是采用滞后技术,即在其同相端加入少量的正反馈,滞后比较器的比较电平不再是单一的电平,而是具有原比较电平附近的两个电平,对图7的电路而言,上比较电平用V+H表示,下比较电平用V+L表示 。

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具有两个电平的电路

图7 具有两个电平的电路

  滞后电压可由R1 , R2调节,只要△V 选择合适,就可消除比较电路的振荡现象。从而大大提高了抗干扰能力,但滞后电平△V 的存在,会使检测灵敏度变差。故此,△V 不宜取得过大,通常R 1≤R2,对于LM311比较器,加入3mv的滞后量,就会消除电路中的振荡 。

  总之,LM311在应用中出现的问题原因是多样的,因此,在使用时,必须仔细考虑,分别对待,只有这样,在使用它时,我们才会得心应手 。

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