LPC553x运算放大器的工作原理及典型运用

恩智浦最近新推出一款新产品LPC553x系列，见《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》，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。

输入电流 IB = 0

输入偏置电压 VE = 0

输入阻抗 ZIN = ∞

输出阻抗 ZOUT = 0

放大倍数 a = ∞

图1. 一个理想的OPAMP

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。

图2. 同相比例放大电路

◄ 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。

图3. 电压跟随器

◄ 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。

图4. 反相比例放大电路

◄ 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。

图5. 差分放大电路

◄ 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：

图6. 带偏置的差分放大电路

LPC553x运放模块性能介绍

LPC553x OPAMP模块具有如下功能：

3个OPAMP模块，支持可编程增益放大器(PGA)

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

模块适用于SARADC之前的信号处理阶段

LPC553x OPAMP模块具有如下特性：

直流开环电压增益110db

转换速率2V/us (低噪声模式)，5.5V/us(高速模式)

统一增益带宽3MHz(低噪声模式)，15MHz(高速模式)

满幅输入/输出(0 - VDDA)

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

LPC553x OPAMP模块工作模式：

独立(缓冲器)模式

可编程增益放大器(PGA)模式

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。

图7. OPAMP功能框图

LPC553x OPAMP模块管脚描述

LPC553x OPAMP 模块管脚描述：

管脚OPAMP0_INP / PIO0_8，缺省为OPAMP0_INP

管脚OPAMP1_INP / PIO0_27，缺省为OPAMP1_INP

管脚OPAMP2_INP / PIO2_1，缺省为OPAMP2_INP

管脚OPAMP0_INN – 专用管脚

管脚OPAMP1_INN – 专用管脚

管脚OPAMP2_INN – 专用管脚

管脚OPAMP0_Out / PIO1_9，缺省为OPAMP0_Out.

管脚OPAMP1_Out / PIO2_14，缺省为OPAMP1_Out.

管脚OPAMP2_Out / PIO2_2，缺省为OPAMP2_Out.

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。

图8. 将OPAMP模块用作电压跟随器

◄ 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。

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

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

根据前面运放典型电路分析中的等式(5)：

令：

R2/R1 = NGAINR4/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。

图11. 将OPAMP模块用作带偏置的差分放大等效电路

◄ 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。

图12. 将OPAMP模块用作差分放大电路

◄ 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。

图13. 将OPAMP模块用作同相比例放大电路

◄ 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成为高阻状态。此时VPREF= VINP。

将VINP接到 “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。

图14. 将OPAMP模块用作反相比例放大电路

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!

原文标题：如何使用LPC553x的运放功能模块

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审核编辑：汤梓红