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LM311是由国家半导体公司(NS)生产的电压-频率转换芯片。国家半导体被德州仪器公司(TI)收购后，即成为由德州仪器公司生产的产品。
图(01)
图(01)是LM331内部结构框图。
从图(01)中可见：该芯片内部有一个恒流源，其恒流电流可由芯片2脚对地的一个外接电阻Rs控制。恒流源输出经芯片内部一个模拟开关(Current Switch)可以由芯片1脚输出或者改为流入到地。该芯片内部有个输入电压比较器(Input Comparator)，该比较器的两个输入端分别是引脚6和引脚7(6脚为反相输入端，7脚为同相输入端)。芯片内部还有个触发器，由定时比较器(Timer Comparator)、RS触发器(RS Flip-Flop) 和放电管(Reset Transistor)构成。RS触发器的输出控制集电极开路输出三极管(Output Driver)，该三极管集电极由芯片3脚引出，该引脚必须接上拉电阻到一个电源正端。
图(02)为德州仪器公司(TI)提供LM331的一种实际应用电路。注意图(02)务必与图(01)对照着看，才能够弄清楚图(02)中LM331的工作原理。
图(02)中我们看到：芯片的1脚和6脚从外部联接在一起，同时经CL//RL到地。图(02)中左下有个22千欧电阻和47欧电阻，接到一个电位器中点。这三个元件用于抵消LM331片内输入电压比较器(6脚和7脚之间)的失调电压。如果对失调电压造成的误差不在意，这三个元件可以取消，将CL和RL下端直接接地。对弄清楚该电路工作原理来说，可以不必管这三个元件，认为47欧电阻很小，等同于CL和RL下端接地。
图(01)中RS触发器上面的输入比较器(Input Comparator)输出高电平时可令RS触发器置位，下面的定时比较器(Timer Comparator)输出高电平时可令RS触发器复位。用两个比较器输出端到RS触发器上下两侧的箭头表示。
当输入比较器(Input Comparator)的同相输入端(芯片7脚)输入一个直流电压时，该比较器输出高电平，使RS触发器置位，输出三极管(Output Driver)导通，芯片3脚为低电平。同时，放电管(Reset Transistor)关断，Vcc通过外部电阻Rt对定时电容Ct充电。Rt与Ct联接处接到定时比较器的同相输入端。
芯片内部有两个电阻，图(01)中分别标注为R和2R，两电阻联接处接到定时比较器(Timer Comparator)的反相输入端。当定时电容充电到Vcc的2/3电压时，定时比较器输出为高电平，RS触发器复位，输出三极管关断，芯片3脚被上拉到高电平，同时放电管导通，将定时电容Ct放电。电流开关(Current Switch)倒向右边，电容CL通过电阻RL放电。当电容CL放电到两端电压等于输入电压Vin时，输入比较器输出高电平使RS触发器置位，输出三极管导通，芯片3脚低电平，放电管关断，定时电容Ct由电阻Rt充电。
RL、CL以及Rt、Ct两组电阻电容分别充电放电，通过输入比较器和定时比较器使RS触发器置位和复位，这样就形成了自激振荡。芯片3脚输出的矩形波频率正是这个自激振荡的频率。
图(02)
简单地说，LM331的频率输出(3脚)之所以产生矩形波，是因为输入比较器(Input Comparator)的两个输入端(6脚和7脚)由电容CL充放电控制，输入比较器交替输出高低电平使RS触发器置位，定时比较器(Timer Comparator)的两个输入端由定时电容Ct控制，定时比较器交替输出高低电平使RS触发器复位，从而RS触发器不停置位和复位，形成自激振荡。
图(03)
图(03)是德州仪器公司(TI)给出的测试电路(此电路也可以用来实现具体的电压-频率转换)。该电路与图(02)电路不同之处在于使用了一个运放构成反相积分器，该运放必须使用双电源(这一点在图中已经注明)，但LM331仍使用单电源。而且，该电路只能接受为负的信号(图中也有注明)，这一点很重要。
与图(02)相比较，图(03)中LM331的6脚接到了两支10千欧电阻的中点，而7脚接到了运放的输出端。
图(03)中，如果忽略电位器以及1兆欧和1千欧电阻对运放的同相输入端施加的运放失调补偿电压，运放的同相输入端可视为直流接地。LM331的1脚仍然在RS触发器置位时输出恒定电流。此恒定电流与输入信号经Rin电阻限制的电流构成加法电路，LM331的1脚输出的恒定电流与输入信号电流是代数和关系(实际上1脚输出恒定电流和Vin电流方向相反，是相减)。此电流(代数和)对反馈电容Cf充电(电流从左向右)，运放输出端向负方向变化(对地电压降低)。RS触发器复位时，LM331的1脚不再输出恒定电流，反馈电容Cf在输入信号Vin单独作用下放电(电流从右向左)，运放输出端向正方向变化(对地电压升高)。
因为运放构成的是反相积分电路且输入信号为负，所以LM331的输入电压比较器(Input Comparator)输入引脚7脚必须接到为负的输入信号经反相积分电路的输出端，才能够形成正确的相位关系使RS触发器置位。该电路其它工作与图(02)完全相同。