如何使用LPC553x的运放功能模块？

周四, 12 五月 2022 - 16:17

恩智浦最近新推出一款新产品LPC553x系列，见<a href="http://mcu.eetrend.com/content/2022/100560082.html">《LPC553x系列MCU正式量产！为电机控制提供更强算力，更先进模拟特性》</a>，该系列配置了一些全新的模拟功能模块，其中就包括了运算放大器（OPAMP），今天就先来看看这个新模块，有什么过人之处。

由于在用户手册中对该模块的介绍比较简单，在这里就对该功能模块作一个更加详细一点的介绍，使得客户在浏览本文后，能够加深对LPC553x运算放大器的理解，尤其是如何将LPC553x运算放大器的配置，和实际中经常使用的一些典型的运放电路联系起来，从而在实际应用中能够快速上手。

OPAMP原理介绍

OPAMP是一个包含多级放大器电路的电子集成电路，其输入级是一个差分放大器电路，具有输入电阻高、抑制零点漂移的特点。

为了简化分析，分析基于如图1所示理想的OPAMP，一个理想的OPAMP具有如下特点。
<ul>
<li>
输入电流 IB = 0
</li>
<li>
输入偏置电压 VE = 0
</li>
<li>
输入阻抗 ZIN ∞
</li>
<li>
输出阻抗 ZOUT = 0
</li>
<li>
放大倍数 a = ∞
</li>
</ul>

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-05/wen_zhang_/100560264-253339-1.png&…; alt=“图1. 一个理想的OPAMP"></center><center>图1. 一个理想的OPAMP</center>

运算放大器的几种典型运用

◄ 同相比例放大电路 ►

同相比例放大电路连接如图2所示。

输入电压VIN连接到放大器同相输入端，根据理想的OPAMP特性：输入电流IB = 0，输入偏置电压VE = 0，可得输入电压和输出电压关系如下：

则：

输出电压为输入电压放大而成的同相电压。该电路的输入阻抗为无穷大。

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-05/wen_zhang_/100560264-253342-4.png&…; alt=“图2. 同相比例放大电路"></center><center>图2. 同相比例放大电路</center>

◄ 电压跟随器 ►

电压跟随器电路连接如图3所示。

在同相比例放大电路中，如果令R2 = 0，并且移除R1, 可得输出电压和输入电压关系如下：

VOUT = VIN

该电路使用OPAMP作为电压跟随缓冲器，在具体应用中可实现针对输入信号的阻抗匹配。

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-05/wen_zhang_/100560264-253343-5.png&…; alt=“图3. 电压跟随器"></center><center>图3. 电压跟随器</center>

◄ 反相比例放大电路 ►

反相比例放大电路连接如图4所示。

反相比例放大电路输入电压VIN连接到放大器反相输入端，根据理想的OPAMP特性：输入电流IB= 0，输入偏置电压VE = 0，可得输入电压和输出电压关系如下：

则：

输出电压为输入电压放大而成的反相电压。

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-05/wen_zhang_/100560264-253346-8.png&…; alt=“图4. 反相比例放大电路"></center><center>图4. 反相比例放大电路</center>

◄ 差分放大电路 ►

差分放大电路连接如图5所示。

差分放大电路放大了输入电压之间的电压差。根据理想的OPAMP特性：输入电流IB = 0，输入偏置电压VE = 0，可得到如下等式：

则：

则：

根据 V+ = V-, 及等式 (1)(2) 可得:

如果令 R1 = R3, R2 = R4, 则：

在该电路中，差分信号(VINP – VINN)按放大器增益倍数得到放大,电路实现了差分放大功能。放大输入信号的差分部分，而将输入信号的公共部分滤除。

由于差分放大电路具有滤除共模干扰的特性，该电路可用于滤除信号的直流分量以及共模噪声。

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-05/wen_zhang_/100560264-253353-15.png…; alt=“图5. 差分放大电路"></center><center>图5. 差分放大电路</center>

◄ 带偏置的差分放大电路 ►

带偏置的差分放大电路连接如图6所示。

在差分放大电路中，如果R4不是接地，而是接入偏置电压VPREF，则该电路变为带偏置的差分放大电路。根据理想的OPAMP特性：输入电流IB = 0，输入偏置电压VE = 0，可得到如下等式：

则：

则：

根据 V+ = V-, 以及等式 (3)(4) 可得：

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-05/wen_zhang_/100560264-253358-20.png…; alt=“如何使用LPC553x的运放功能模块？"></center>
<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-05/wen_zhang_/100560264-253359-21.png…; alt=“图6. 带偏置的差分放大电路"></center><center>图6. 带偏置的差分放大电路</center>

LPC553x运放模块性能介绍

LPC553x OPAMP模块具有如下功能：

<ul>
<li>
3个OPAMP模块，支持可编程增益放大器（PGA）
</li>
<li>
通过配置寄存器来选择不同的增益,以实现可选择的同相比例放大和反相比例放大
</li>
<li>
模块适用于SARADC之前的信号处理阶段
</li>
</ul>

LPC553x OPAMP模块具有如下特性：
<ul>
<li>
直流开环电压增益110db
</li>
<li>
转换速率2V/us (低噪声模式)，5.5V/us(高速模式)
</li>
<li>
统一增益带宽3MHz（低噪声模式），15MHz（高速模式）
</li>
<li>
满幅输入/输出（0 - VDDA）
</li>
<li>
PGA反相可编程增益：-1X，-2X，-4X，-8X，-16X，-33X，-64X；正相可编程增益：1X，2X，4X，8X，16X，33X，64X
</li>
</ul>

LPC553x OPAMP模块工作模式：
<ul>
<li>
独立（缓冲器）模式
</li>
<li>
可编程增益放大器（PGA）模式
</li>
</ul>

独立（缓冲器）模式：

OPAMP功能框图如图7所示：

将寄存器OPAMP_CTR [26-24]位“NGAIN”设为“000 – Buffer”，可使得OPAMP工作在缓冲器模式。

在这种模式下,OPAMP放大电路独立工作，与内部的电阻矩阵没有连接，只将OPAMPx_INP，OPAMPx_INN，OPAMPx_OUT这三个管脚引出供用户使用，用户可以在这些管脚上连接外部电路来实现所需的功能。

PGA模式：

将寄存器OPAMP_CTR [26-24]位“NGAIN”设为除“000 – Buffer”外的其它值。[22-20]位“PGAIN”设为除“000 - Reserved”外的其它值，此时OPAMP工作在PGA模式。

在这种模式下，OPAMP与内部电阻矩阵连接，根据NGAIN和PGAIN设置值来放大输入电压，放大的原理将在“LPC553x OPAMP模块的使用”中说明。

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-05/wen_zhang_/100560264-253360-22.png…; alt=“图7. OPAMP功能框图"></center><center>图7. OPAMP功能框图</center>

LPC553x OPAMP模块管脚描述

LPC553x OPAMP 模块管脚描述：

<ul>
<li>
管脚OPAMP0_INP / PIO0_8，缺省为OPAMP0_INP
</li>
<li>
管脚OPAMP1_INP / PIO0_27，缺省为OPAMP1_INP
</li>
<li>
管脚OPAMP2_INP / PIO2_1，缺省为OPAMP2_INP
</li>
<li>
管脚OPAMP0_INN – 专用管脚
</li>
<li>
管脚OPAMP1_INN – 专用管脚
</li>
<li>
管脚OPAMP2_INN – 专用管脚
</li>
<li>
管脚OPAMP0_Out / PIO1_9，缺省为OPAMP0_Out.
</li>
<li>
管脚OPAMP1_Out / PIO2_14，缺省为OPAMP1_Out.
</li>
<li>
管脚OPAMP2_Out / PIO2_2，缺省为OPAMP2_Out.
</li>
</ul>

LPC553x OPAMP模块的使用

◄ 将OPAMP模块用作电压跟随器 ►

将寄存器OPAMP_CTR [26-24]位“NGAIN”设为“000 – Buffer”，使得OPAMP工作在缓冲器模式。

连接管脚 OPAMPx_INN 和 OPAMPx_OUT.

根据前面运放典型电路的分析，可得到：

VOUT = VINP

从而实现电压跟随器功能。

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-05/wen_zhang_/100560264-253361-23.png…; alt=“图8. 将OPAMP模块用作电压跟随器"></center><center>图8. 将OPAMP模块用作电压跟随器</center>

◄ 将OPAMP模块用作带偏置的差分放大电路 ►

将LPC553x的OPAMP设为PGA模式，此时OPAMP使用内部电阻矩阵来得到NGAIN， PGAIN。如图9所示。

内部电阻矩阵等效于R1，R2，R3，R4。

R2/R1 = NGAIN

R4/R3 = PGAIN

NGAIN, PGAIN放大增益为：x1, x2, x4, x8, x16, x33, x64。如图10所示。

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-05/wen_zhang_/100560264-253362-24.png…; alt=“图9. NGAIN, PGAIN with gain rate x1, x2, x4, x8, x16,x33, x64 LPC553x OPAMP功能框图和等效电路"></center><center>图9. NGAIN, PGAIN with gain rate x1, x2, x4, x8, x16,x33, x64 LPC553x OPAMP功能框图和等效电路</center>
<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-05/wen_zhang_/100560264-253363-25.png…; alt=“图10. NGAIN, PGAIN放大增益： x1, x2, x4, x8, x16, x33, x64"></center><center>图10. NGAIN, PGAIN放大增益： x1, x2, x4, x8, x16, x33, x64</center>

根据前面运放典型电路分析中的等式(5)：

令：

R2/R1 = NGAIN
R4/R3 = PGAIN
可得：

从而实现带偏置的差分放大功能。

下图为相应等效电路。

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-05/wen_zhang_/100560264-253366-28.png…; alt=“图11. 将OPAMP模块用作带偏置的差分放大等效电路"></center><center>图11. 将OPAMP模块用作带偏置的差分放大等效电路</center>

◄ 将OPAMP模块用作差分放大电路 ►

将LPC553x的OPAMP设为PGA模式。

将寄存器OPAMP_CTR [18-17]位 “PREF” 设为 “ 00 – Select vrefh3 ”, 可使得OPAMP 将 DAC0OUT 作为VPREF。

让DACxOUT 输出 “0”电平使得VPREF为“0”电平。

根据等式（6）可得：

从而实现差分放大功能。

下图为相应等效电路。

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-05/wen_zhang_/100560264-253368-30.png…; alt=“图12. 将OPAMP模块用作差分放大电路"></center><center>图12. 将OPAMP模块用作差分放大电路</center>

◄ 将OPAMP模块用作同相比例放大电路 ►

将LPC553x的OPAMP设为PGA模式。

将寄存器OPAMP_CTR [18-17]位 “PREF” 设为 “ 10 – Select vrefh1 ”, OPAMP将 VREFOUT作为VPREF，但并不使能VREF模块（缺省状态）从而使得VPREF成为高阻状态。此时VPREF= VINP。

将VINN接到 “0”电平。

根据等式（6）可得：

从而实现同相比例放大功能。

下图为相应等效电路。

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-05/wen_zhang_/100560264-253370-32.png…; alt=“图13. 将OPAMP模块用作同相比例放大电路"></center><center>图13. 将OPAMP模块用作同相比例放大电路</center>

◄ 将OPAMP模块用作反相比例放大电路 ►

将LPC553x的OPAMP设为PGA模式。

同上使得VPREF阻状态。此时VPREF= VINP

将VINP到 “0”电平，使得 VPREF=VINP= 0

根据等式（6）可得：

VOUT = – NGAIN * VINN

从而实现反相比例放大功能。

下图为相应等效电路。

<center><img src="http://mcu.eetrend.com/files/2022-05/wen_zhang_/100560264-253371-33.png…; alt=“图14. 将OPAMP模块用作反相比例放大电路"></center><center>图14. 将OPAMP模块用作反相比例放大电路</center>

以上就是对LPC553x OPAMP模块在实际使用方面的介绍和分析，希望能够给广大恩智浦微控制器的爱好者，在使用LPC553x的OPAMP模块时带来方便。谢谢浏览！

来源：<a href="https://mp.weixin.qq.com/s/EYgxOG_IrXhLodEs_YaQdQ">恩智浦MCU加油站（作者：Anthony Xie@NXP）</a>
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