IC资料-精密压_频转换器_LM331_331A

LM331/331A 精密压/频转换器 # 概述 LM331/331A 是一种非常理想的精密电压/频率转换器，可用于制作简洁、低 成本的模数转换器，特长积分周期的数字积分器，线性频率调制与解调及其它各 种功能电路。当作为压/频转换器使用时，其输出脉冲链的频率精确地与输入端 施加的电压成比例变化，体现了压/频转换器的特有的优势。可轻松应用于所有 的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 压/频转换场合。更值得一提的是，LM331/331A 达到的精度-温度稳定性 很高。其它同等级别温度稳定性的压 /频转换模块成本要高的多。另外， LM331/331A 也适用于低工作电压的数字系统，在微处理器控制系统中作为低成 本的模数转换器。此外。用这种转换方式和光电偶合器时连接相当方便。 由于 LM331/331A 内含温度补偿带隙基准源，所以 4.0V 电压供电的情况下， 就可在整个工作温度范围内高精确的工作。内部精密计时器电路在很低偏置电流 的情况下，也不会降低对 100kHz 电压/频率转换器的响应。LM331/331A 的输出 可驱动三个 TTL 负载，其输出端可承受高达 40V 的电压冲击。 # 特点 ◆ 具有最大 0.01％的线性度 ◆ 改进的电压/频率转换器应用性能 ◆ 双电源或单电源供电 ◆ 工作电压：5V ◆ 数字脉冲输出端电平与所有 5V 的标准逻辑电路兼容 ◆ 出色的温度稳定性，温漂小于±50ppm/℃ ◆ 低功耗：15mW 典型值（5V 工作电压） ◆ 动态范围宽，在 100kHz 的频率范围下，最小为 100dB ◆ 满量程频率范围宽：1Hz～100kHz ◆ 低成本 lin 新建图章 LM331/331A # 管脚图 以上分别为 SOP8L 和 DIP8L 封装。 图 1 DIP8/SOP8 管脚图 # 管脚描述 管脚号 名称 I/O 功能 1 CURO O 电流输出 2 REFCUR O 参考电流 3 FOUT O 频率输出 4 GND - 地 5 R/C I 定时比较输入 6 THD I 比较器反相输入端 7 COM I I 比较器同相输入端 8 VS - 电源 lin 新建图章 LM331/331A 电荷泵 带隙 输出驱动器 输出保护器 15 电流开关 精密电流镜 R-S触发器 基准源 复位开关管 输入比较器 定时比较器 R 2R Rt Ct CURO REFCUR Fout GND Vs COMI R/C THD 1 2 3 4 5 6 7 8 LM331/LM331A Rs # 结构框图 图 2 LM331 内部结构框图 # LM331 内部模块功能详解（参见图 2.LM331 内部结构框图）。 ¾ 精密带隙基准源 LM331 芯片中集成的带隙基准源可提供稳定的 1.9V 基准电压输出。此基准 电压在 VS 从 3.9V 到 40V 的宽范围内变化时都能保持高稳定度。并具有极低的 平坦的温度系数曲线，在温度变化 100 度的范围内典型基准电压变化小于 0.5％。 ¾ 电荷泵 内部电荷泵强制第 2 脚处于 1.9V，由此产生的电流 i=1.9V/Rs。当 Rs=14K 时，i=135uA。精密电流镜输出的电流等于 i，经过电流开关流出。电流开关根据 RS 触发器状态的不同，分别将此电流导向第 1 脚或 GND。 lin 新建图章 LM331/331A ¾ 定时功能模块 定时功能模块包括 RS 触发器和连接外部元件 RtCt 的定时比较器。当定时比 较器的输入端检测到第 7 脚的电压高于第 6 脚时，它将 RS 触发器置位，这将打 开电流开关和输出驱动三极管。当第 5 脚的电压上升到 2/3Vcc 时，定时比较器 将使 RS 触发器复位。复位开关管打开而电流开关被关闭。 然而，如果当第 5 脚的电压超过 2/3Vcc 时，输入比较器仍然检测到第 7 脚 电压高于第 6 脚时，触发器将不会翻转，第 1 脚的电流会继续流动驱使第 6 脚的 高于第 7 脚。此种工作条件通常是为了应付上电初始过程或信号输入端加载超负 荷电压的情况。需要注意是在这种超负荷的情况下，输出频率将为零，一旦输入 信号恢复到正常工作范围，输出频率也将恢复正常。 第 3 脚输出驱动三极管的饱和导通电阻大约为 50Ω。为防止过高电压损坏， 其输出电流被自动限制在小于 50mA 的范围内。 第 2 脚的电压在电流从 10uA 到 500uA 范围内被稳压在 1.90V。此稳压输出 可被外部元件用来做基准电压源。但是必须注意不可从此基准源抽取电流，否则 将会导致 V/F 转换器精度降低。 # 极限参数（超过此限有可能导致损坏） 项目 参数值 单位 电源电压 40 V 输出短路电流至 GND 连续 输出短路电流至 VCC 连续 输入电压 -0.2～Vs V 工作温度范围 0~+70 ℃ 功耗（25℃） 1.25 W 焊接温度（点焊，10 秒） 260 ℃ lin 新建图章 LM331/331A # 电参数（一） （Ta=25 ,℃除非另有说明） 参数 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位 4.5V≤VS≤20V ±0.003 ±0.01 %量程 VFC非线性 TMIN≤TA≤TMAX ±0.006 ±0.02 %量程 VFC非线性（图3） VS＝15V，f＝10～11kHz ±0.024 ±0.14 %量程 转换精度比例因子 VIN＝-10V，RS＝14kΩ 0.90 1.00 1.10 kHz/V LM331 ±30 ±150 增益温度稳定性 TMIN≤TA≤TMAX， 4.5V≤VS≤20V LM331A ±20 ±50 ppm/℃ 4.5V≤VS≤10V 0.01 0.1 %/V 与VS相关的增益变化 10V≤VS≤40V 0.006 0.06 %/V 额定满量程频率 VIN＝-10V 10.0 kHz 长期增益稳定性 （1000小时） TMIN≤TA≤TMAX ±0.02 %量程 超限频率（相对于标 准频率范围） VIN＝-11V 10 % 输入比较器 ±3 ±10 LM331 ±4 ±14 失调电压 TMIN≤TA≤TMAX LM331A ±3 ±10 mV 偏置电流 -80 -300 nA 失效电流 ±8 ±100 nA 共模范围 TMIN≤TA≤TMAX -0.2 VCC-2.0 V 计时器 计时器阈值电压 （第5脚） 0.63 0.667 0.70 * VS VS＝15V，0V≤V第5脚≤9.9V， 所有驱动 ±10 ±100 V第5脚＝10V，LM331 200 1000 输入偏置电流 （第5脚） V第5脚＝10V，LM331A 200 500 nA VSAT（第5脚RESET） I＝5mA 0.22 0.5 V lin 新建图章 LM331/331A # 电参数（二） Ta=25 ,℃除其它特殊说明外 参数 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位 电流源（第1脚） 输出电流 RS=14kΩ，VPIN1=0 116 136 156 uA 电压变化引起的变化 0V≤VPIN1≤10V 0.2 1.0 uA 0.02 10.0 nA 电流源关断漏电流 TA＝TMAX，所有驱动 2.0 50.0 nA 电流变化范围 10～500 uA 参考电压（第2脚） 参考电压 1.70 1.89 2.08 VDC 温度稳定性 ±60 ppm/℃ 时间稳定性1000小时 ±0.1 % 逻辑输出（第3脚） I＝5mA 0.15 0.50 V VSAT I＝3.2mA（2个TTL负载） TMIN≤TA≤TMAX 0.10 0.40 V 关断漏电流 ±0.05 1.0 uA 电源电流 VS＝5V 1.5 3.0 6.0 mA 电源电流 VS＝40V 2.0 4.0 8.0 mA 注 1： 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 中按达到的精度和温度稳定性的不同，分别有 LM331 和 LM331A 两种型号 注 2：表一和表二中所有特性均是按图 5 电路，及 4.0V≤VS≤40V 的条件下测得。（除非另 有说明） lin 新建图章 LM331/331A 1 2 3 4 5 6 7 8 12k±1% 5k 10k±10% fOUT 10kHz 满量程 Vlogic Vs=15V Ct 0.01uF Rin 100k±10% Cin 0.1uF Vin 10V满量程 CL 1uF 聚酯薄膜 RL 100k±1% 47±10% +Vs -Vs 失调调整 22k Rt 6.8k±1% LM331 LM331A # 应用电路图及工作原理说明 ¾ 典型的电压/频率转换电路图 输出频率：fout=(VIN/20.9V)×(RS/RL) ×1/RtCt 图 3 ±0.03％线性电压/频率转换典型电路图 简易实用的压频转换电路如图 3 所示，它包含了 LM331 基本的应用电路， 并增加了少量外部元件以改善性能。 在电源与第 7 脚之间连接有电阻 100kΩ RIN,因此第 7 脚的偏置电流（-80nA） 将抵消第 6 脚失调电流所起的作用，这样有助于获得最小的频率偏移。 连接在第 2 脚的电阻 RS由 12 kΩ的固定电阻和 5 kΩ电位器（陶瓷最佳）组 成。加电位器目的是为了调整 LM331 的增益偏差，及 Rt、RL和 Ct 的偏差。 为得到最佳效果，所有的元器件都应选用温度系数低，参数稳定的元器件， 比如金属膜电阻。电容应选用介质损耗低的；根据所要求的温度稳定性，陶瓷 NPO、聚苯乙烯、聚四氟乙烯和聚丙烯是不错的选择。 电容CIN连接在第 7脚和地之间，作为VIN的滤波器使用。取值为 0.01～0.1uF 即可满足大多数使用情况。尽管如此，为了得到更好的滤波效果，则应选 1 uF 的电容。如果在第 6 和第 7 脚之间的 RC 时间常数如果匹配得当话，在 VIN 处的 lin 新建图章 LM331/331A R-S触发器 复位比较器输入比较器 Ct 输入电流 Rs V1 7 Vlogic 频率输出 CL RL Rt Vx 6 1 2 Vs 8 5 3 一个电压变化台阶就会导致在 fOUT处出现一个频率变化台阶。如果 CIN 的容量比 CL 低太多的话，在 VIN 处的电压阶跃有可能导致在 fOUT处的频率瞬间停止。 电路中 47kΩ 的电阻和 1uF 的电容 CL产生的迴差效果有助于输出比较器获 得更佳的线性度（典型值 0.03％）。 ¾ 压频转换电路的工作原理 图 4 典型压频转换器内部功能模块及外接元件图 LM331 是用于压频转换器或频压转换器的精密多用途的单片集成电路。 LM331 的内部简化功能模块如图 4 所示，它们包括开关电流源、输入比较器和 单稳态定时器。 这些功能模块的工作原理可通过分析图 4所示的基本V-F转换器的工作过程 来充分理解，图中包括有构成 LM331 的内部简化功能模块和外接的可变电阻及 电容。 电压比较器将同相输入端（第 7 脚）电压 V1 和（第 6 脚）的电压 VX进行 比较。如果 V1 较高，电压比较器就会触发单稳态定时器。定时器的输出就会开 启频率输出晶体管和开关电流源，开启的时间周期为 t=1.1RtCt。在此周期内， 从开关电流源流出的电流 i 将会在单位时间内提供固定数量的电荷 Q=i*t，这些 电荷存储在电容 CL 中。这将使 Vx 升高，并超过 V1。在定时周期结束时，电流 lin 新建图章 LM331/331A CURO REFCUR Fout GND Vs COMI R/C THD 1 2 3 4 5 6 7 8 GB331 12k±1% 5k fOUT 10kHz 满量程 Vlogic Rt 6.8k±1% Vs=15V Ct 0.01uF Rin 100k±10% Vin -10V满量程 Cf 0.005uF 100K±10%+Vs -Vs 1k 10k A1 22k 1N4002 1M失效调整 20k~1M VS -VS 2 3 8 4 6 7 10k±10% 10k±10% GB331A I 会被关断，定时器也会将自身复位。 在没有电流从第 1 脚流入时，电容 CL通过 RL 逐步放电，直到 VX降低到 V1 的电平。这时，比较器将触发定时器开始下一个周期工作。 电流流入 CL 时，严格遵循 IAVE＝i×（1.1×RtCt）×f；电流流出 CL 时，严格 遵循 VX/RL=VIN/RL。如果 VIN加倍，频率也加倍以维持平衡。即使一个简单的压 频转换器也可以在很宽的频率范围内提供输入电压和频率的精确比例对应关系。 ¾ 典型的测试及压/频转换电路（另加外部运算放大器） 图 5 标准的精密电压/频率转换器测试及应用电路图 在图 5 所示电路中，增加了一个外部运算放大器，积分过程是通过外加的普 lin 新建图章 LM331/331A 通运算放大器和反馈电容 CF实现的。当积分器的输出达到 LM331 第 6 脚预定的 阈值电平时，预定周期被初始化。 流入运算放大器电流汇集点（第 2 脚）的平均电流为 i×(1.1RC) ×f，该电 流与-VIN/RIN达成精确平衡。此电路中，LM331 内部输入比较器本身的失调电压， 并不会影响 V/F 转换器的精度，也不会影响 LM331 的偏置电流和失调电流。但 未加运算放大器就会受到影响。事实上，运算放大器的失调电压和失调电流只是 精密 V/F 转换器可最小转换信号的限制。由于即使是低成本运算放大器的失调电 压也可低至 1mV 以下、失调电流低至 2nA 以下，所以我们推荐图 5 电路作为高 精度的小信号 V/F 转换应用场合使用。 此外，和单独的 V/F 转换器相比，该电路对任何输入信号的变化都能给出迅 速的响应，使得输出频率精确地代表了输入电压 VIN。输入电压 VIN 变化时，只 需两个输出脉冲间隔，就可在 F 输出端反映出电压 VIN的变化。 在精确模式中，之所以能得到优良的线性度，是因为电流源（第 1 脚）总在 地电位，而且不会因为 VIN和 fOUT的改变而改变（在典型的压频转换器中，产生 非线性的最大的原因就是第 1 脚的输出阻抗导致 i 跟随 VIN变化而变化）。 lin 新建图章 LM331/331A 1 2 3 4 5 6 7 8 5k±1%* 2k* fOUT 100kHz 满量程 Vlogic Vs Ct 330pF* Rin 100k±1%* 0.001uF Vin -10V满量程 Cf 0.005uF 100K±10%+Vs -Vs 1k 10k A1*** 2.2k 1N4002 1M失效调整 20k~1M VS -VS 2 3 4 6 7 10k±10%** 10k±10% Rt 6.8k±1%* 0.001uF 2N2222 20k 20k Vs LM331 LM331A 高速 V/F 转换电路示例（另加外部运算放大器） 图 6 的配置同图 5 基本相同，只不过为了达到高速转换操作而作了必要的改 变。 *为得到低温度系数工作，请选择稳定性高的元件。 **在 VS＝8～22V 时，该电阻可为 5kΩ或 10kΩ，但当 VS＝4.5～8V 时，该电阻必须为 10kΩ。 ***若为得到较小的失调电压和失调电流，推荐使用 LF411A 或 LF356。 图 6 满量程 100kHz、±0.03%非线性度精密电压/频率转换图 lin 新建图章 LM331/331A 1 2 3 4 5 6 7 8 12k±1% 5k Iout fIN Vout Vs=15V Ct 0.01uF 10k 470pF 1uF RL 100k 10k 68k Rt 6.8k±1% LM331 LM331A # 其它应用电路举例 ¾ 频率/电压转换器（参见图 7、图 8） 在这种应用中，从 fIN 输入的脉冲被 C-R 网络微分，加在第 6 脚脉冲的下降 沿引起输入比较器触发定时电路。和压频转换器一样，从第 1 脚流出的平均电流 为 I 平均＝i×（1.1RtCt）×f 如图 7 所示的简易频/压转换器电路中，流出的电流被 100kΩ的电阻 RL 和 1uF 的电容所滤波。其纹波峰值为 10mV，不过响应较慢，时间常数为 0.1 秒， 经过 0.7 秒的稳定时间达到 0.1％的精确度。 图 7 满量程 10kHz、±0.06%非线性度简易电压/频率转换图 在图 8 所示的精密压/频转换电路中，外加的运算放大器提供了缓冲输出， 同时起到了两端滤波器的作用。对于输入频率高于 1kHz 的情况下输出的转换电 压纹波峰值小于 5mV，相应时间也比图 7 中电路快得多。然而，当输入频率低 于 200Hz 时，该电路输出的纹波比图 7 中更大。必须仔细研究取舍，在转换响 应时间和转换纹波两方面妥协。就电路本身的先天特点来说，压/频转换器响应 应时间可以很快，但压/频转换器则做不到。 lin 新建图章 LM331/331A 1 2 3 4 5 6 7 8 12k±1% 5k fIN Vout Vs=15V Ct 0.01uF 10k 470pF C3 0.1uF Rf 100k 10k Rx Rt 6.8k±1% C4 0.02uF 100k A1 VS -VS LM331 LM331A 1 2 3 4 5 6 7 8 5k 5k fOUT 100kHz 满量程 +5~15V Ct 330pF 3.3k 10k Rt 6.81k 0.001uF * +5~15V 光线输入LM331 LM331A VOUT＝-fIN×2.09V×（RF/RS）×（RtCt） Rx＝（VS-2V）/0.2mA 图 8 满量程 10kHz、±0.01%非线性度、两级滤波电压/频率转换图 *L14F-1、L14G-1 或 L14H-1 光敏晶体管或类似均可 图 9 光线强度/频率转换器 lin 新建图章 LM331/331A V/F转换 LM331 分频器 CD4020 计数器 ICL7217CD4020 ÷2n VS f÷2 nf 输出显示 （RESET） Vin 1 2 3 4 5 6 7 8 12k±1% 5k V- V+ R Vs=+4.5~20V Ct 0.01uF CL 0.1uF 2.32k±1% Rt 6.81k±1% LM234 LM334 22k fout α temp 10Hz/°K LM331 LM331A 0.1uA/°K 图 10 温度/频率转换器 图 11 特长积分周期的数字积分器 lin 新建图章 LM331/331A # 封装尺寸图 SOP8L 封装尺寸图 DIP8L 封装尺寸图 图 12 封装尺寸图 # 文档信息 ◆ 创建日期：2005-12-8 4.90±0.10 0.406 1.27 3. 9± 0. 10 9.25±0.25 0.46±0.08 2.54 6. 35 ± 0. 25 LM331D XXXXX LM331P XXXXX lin 新建图章