LPC553x運(yùn)算放大器的工作原理及典型運(yùn)用

恩智浦最近新推出一款新產(chǎn)品LPC553x系列，見《LPC553x系列MCU正式量產(chǎn)!為電機(jī)控制提供更強(qiáng)算力，更先進(jìn)模擬特性》，該系列配置了一些全新的模擬功能模塊，其中就包括了運(yùn)算放大器(OPAMP)，今天就先來看看這個(gè)新模塊，有什么過人之處。

由于在用戶手冊中對該模塊的介紹比較簡單，在這里就對該功能模塊作一個(gè)更加詳細(xì)一點(diǎn)的介紹，使得客戶在瀏覽本文后，能夠加深對LPC553x運(yùn)算放大器的理解，尤其是如何將LPC553x運(yùn)算放大器的配置，和實(shí)際中經(jīng)常使用的一些典型的運(yùn)放電路聯(lián)系起來，從而在實(shí)際應(yīng)用中能夠快速上手。

OPAMP原理介紹

OPAMP是一個(gè)包含多級放大器電路的電子集成電路，其輸入級是一個(gè)差分放大器電路，具有輸入電阻高、抑制零點(diǎn)漂移的特點(diǎn)。

為了簡化分析，分析基于如圖1所示理想的OPAMP，一個(gè)理想的OPAMP具有如下特點(diǎn)。

輸入電流 IB = 0

輸入偏置電壓 VE = 0

輸入阻抗 ZIN = ∞

輸出阻抗 ZOUT = 0

放大倍數(shù) a = ∞

圖1. 一個(gè)理想的OPAMP

運(yùn)算放大器的幾種典型運(yùn)用

? 同相比例放大電路 ?

同相比例放大電路連接如圖2所示。

輸入電壓VIN連接到放大器同相輸入端，根據(jù)理想的OPAMP特性：輸入電流IB = 0，輸入偏置電壓VE = 0，可得輸入電壓和輸出電壓關(guān)系如下：

則：

輸出電壓為輸入電壓放大而成的同相電壓。該電路的輸入阻抗為無窮大。

圖2. 同相比例放大電路

? 電壓跟隨器 ?

電壓跟隨器電路連接如圖3所示。

在同相比例放大電路中，如果令R2 = 0，并且移除R1, 可得輸出電壓和輸入電壓關(guān)系如下：

VOUT = VIN

該電路使用OPAMP作為電壓跟隨緩沖器，在具體應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)針對輸入信號的阻抗匹配。

圖3. 電壓跟隨器

? 反相比例放大電路 ?

反相比例放大電路連接如圖4所示。

反相比例放大電路輸入電壓VIN連接到放大器反相輸入端，根據(jù)理想的OPAMP特性：輸入電流IB = 0，輸入偏置電壓VE = 0，可得輸入電壓和輸出電壓關(guān)系如下：

則：

輸出電壓為輸入電壓放大而成的反相電壓。

圖4. 反相比例放大電路

? 差分放大電路 ?

差分放大電路連接如圖5所示。

差分放大電路放大了輸入電壓之間的電壓差。根據(jù)理想的OPAMP特性：輸入電流IB = 0，輸入偏置電壓VE = 0，可得到如下等式：

則：

則：

根據(jù) V+ = V-, 及等式 (1)(2) 可得:

如果令 R1 = R3, R2 = R4, 則：

在該電路中，差分信號(VINP – VINN)按放大器增益倍數(shù)得到放大,電路實(shí)現(xiàn)了差分放大功能。放大輸入信號的差分部分，而將輸入信號的公共部分濾除。

由于差分放大電路具有濾除共模干擾的特性，該電路可用于濾除信號的直流分量以及共模噪聲。

圖5. 差分放大電路

? 帶偏置的差分放大電路 ?

帶偏置的差分放大電路連接如圖6所示。

在差分放大電路中，如果R4不是接地，而是接入偏置電壓VPREF，則該電路變?yōu)閹玫牟罘址糯箅娐?。根?jù)理想的OPAMP特性：輸入電流IB = 0，輸入偏置電壓VE = 0，可得到如下等式：

則：

則：

根據(jù) V+ = V-, 以及等式 (3)(4) 可得：

圖6. 帶偏置的差分放大電路

LPC553x運(yùn)放模塊性能介紹

LPC553x OPAMP模塊具有如下功能：

3個(gè)OPAMP模塊，支持可編程增益放大器(PGA)

通過配置寄存器來選擇不同的增益,以實(shí)現(xiàn)可選擇的同相比例放大和反相比例放大

模塊適用于SARADC之前的信號處理階段

LPC553x OPAMP模塊具有如下特性：

直流開環(huán)電壓增益110db

轉(zhuǎn)換速率2V/us (低噪聲模式)，5.5V/us(高速模式)

統(tǒng)一增益帶寬3MHz(低噪聲模式)，15MHz(高速模式)

滿幅輸入/輸出(0 - VDDA)

PGA反相可編程增益：-1X，-2X，-4X，-8X，-16X，-33X，-64X;正相可編程增益：1X，2X，4X，8X，16X，33X，64X

LPC553x OPAMP模塊工作模式：

獨(dú)立(緩沖器)模式

可編程增益放大器(PGA)模式

獨(dú)立(緩沖器)模式：

OPAMP功能框圖如圖7所示：

將寄存器OPAMP_CTR [26-24]位“NGAIN”設(shè)為“000 – Buffer”，可使得OPAMP工作在緩沖器模式。

在這種模式下,OPAMP放大電路獨(dú)立工作，與內(nèi)部的電阻矩陣沒有連接，只將OPAMPx_INP，OPAMPx_INN，OPAMPx_OUT這三個(gè)管腳引出供用戶使用，用戶可以在這些管腳上連接外部電路來實(shí)現(xiàn)所需的功能。

PGA模式：

將寄存器OPAMP_CTR [26-24]位“NGAIN”設(shè)為除“000 – Buffer”外的其它值。[22-20]位“PGAIN”設(shè)為除“000 - Reserved”外的其它值，此時(shí)OPAMP工作在PGA模式。

在這種模式下，OPAMP與內(nèi)部電阻矩陣連接，根據(jù)NGAIN和PGAIN設(shè)置值來放大輸入電壓，放大的原理將在“LPC553x OPAMP模塊的使用”中說明。

圖7. OPAMP功能框圖

LPC553x OPAMP模塊管腳描述

LPC553x OPAMP 模塊管腳描述：

管腳OPAMP0_INP / PIO0_8，缺省為OPAMP0_INP

管腳OPAMP1_INP / PIO0_27，缺省為OPAMP1_INP

管腳OPAMP2_INP / PIO2_1，缺省為OPAMP2_INP

管腳OPAMP0_INN – 專用管腳

管腳OPAMP1_INN – 專用管腳

管腳OPAMP2_INN – 專用管腳

管腳OPAMP0_Out / PIO1_9，缺省為OPAMP0_Out.

管腳OPAMP1_Out / PIO2_14，缺省為OPAMP1_Out.

管腳OPAMP2_Out / PIO2_2，缺省為OPAMP2_Out.

LPC553x OPAMP模塊的使用

? 將OPAMP模塊用作電壓跟隨器 ?

將寄存器OPAMP_CTR [26-24]位“NGAIN”設(shè)為“000 – Buffer”，使得OPAMP工作在緩沖器模式。

連接管腳 OPAMPx_INN 和 OPAMPx_OUT.

根據(jù)前面運(yùn)放典型電路的分析，可得到：

VOUT = VINP

從而實(shí)現(xiàn)電壓跟隨器功能。

圖8. 將OPAMP模塊用作電壓跟隨器

? 將OPAMP模塊用作帶偏置的差分放大電路 ?

將LPC553x的OPAMP設(shè)為PGA模式，此時(shí)OPAMP使用內(nèi)部電阻矩陣來得到NGAIN， PGAIN。如圖9所示。

內(nèi)部電阻矩陣等效于R1，R2，R3，R4。

R2/R1 = NGAIN

R4/R3 = PGAIN

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

圖9. NGAIN, PGAIN with gain rate x1, x2, x4, x8, x16,x33, x64 LPC553x OPAMP功能框圖和等效電路

圖10. NGAIN, PGAIN放大增益： x1, x2, x4, x8, x16, x33, x64

根據(jù)前面運(yùn)放典型電路分析中的等式(5)：

令：

R2/R1 = NGAINR4/R3 = PGAIN

可得：

從而實(shí)現(xiàn)帶偏置的差分放大功能。

下圖為相應(yīng)等效電路。

圖11. 將OPAMP模塊用作帶偏置的差分放大等效電路

? 將OPAMP模塊用作差分放大電路 ?

將LPC553x的OPAMP設(shè)為PGA模式。

將寄存器OPAMP_CTR [18-17]位 “PREF” 設(shè)為 “ 00 – Select vrefh3 ”, 可使得OPAMP 將 DAC0OUT 作為VPREF。

讓DACxOUT 輸出 “0”電平使得VPREF為“0”電平。

根據(jù)等式(6)可得：

從而實(shí)現(xiàn)差分放大功能。

下圖為相應(yīng)等效電路。

圖12. 將OPAMP模塊用作差分放大電路

? 將OPAMP模塊用作同相比例放大電路 ?

將LPC553x的OPAMP設(shè)為PGA模式。

將寄存器OPAMP_CTR [18-17]位 “PREF” 設(shè)為 “ 10 – Select vrefh1 ”, OPAMP將 VREFOUT作為VPREF，但并不使能VREF模塊(缺省狀態(tài))從而使得VPREF成為高阻狀態(tài)。此時(shí)VPREF= VINP。

將VINN接到 “0”電平。

根據(jù)等式(6)可得：

從而實(shí)現(xiàn)同相比例放大功能。

下圖為相應(yīng)等效電路。

圖13. 將OPAMP模塊用作同相比例放大電路

? 將OPAMP模塊用作反相比例放大電路 ?

將LPC553x的OPAMP設(shè)為PGA模式。

同上使得VPREF成為高阻狀態(tài)。此時(shí)VPREF= VINP。

將VINP接到 “0”電平， 使得 VPREF=VINP= 0

根據(jù)等式(6)可得：

VOUT = – NGAIN * VINN

從而實(shí)現(xiàn)反相比例放大功能。

下圖為相應(yīng)等效電路。

圖14. 將OPAMP模塊用作反相比例放大電路

以上就是對LPC553x OPAMP模塊在實(shí)際使用方面的介紹和分析，希望能夠給廣大恩智浦微控制器的愛好者，在使用LPC553x的OPAMP模塊時(shí)帶來方便。謝謝瀏覽!

原文標(biāo)題：如何使用LPC553x的運(yùn)放功能模塊

文章出處：【微信公眾號：恩智浦MCU加油站】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

審核編輯：湯梓紅