MCXA156系列處理器之片上運算放大器

全新的MCX A系列融合了恩智浦通用MCU的特點，適用更為廣泛的通用應用，實現了低成本，低功耗，高安全性和高可靠性。其中的MCXA154/MCXA155/MCXA156型號提供了片上集成運算放大器，可以實現簡易的信號調理和驅動功能，為電路設計帶來便利，減少了總體元件成本。本文將介紹MCXA15系列的片上運算放大器與幾種典型應用。

MCXA系列片上可編程運放(Operational Amplifier --OPAMP)結構如圖1所示，主要包含差分放大器，同相端與反相端兩個可編程電阻網絡，反饋回路以及同相端參考電壓源。

圖1 MCXA 系列片上運放結構簡圖

在反饋回路聯通(使能可編程開關OUTSW)的情況下，差分放大器的同相端和反相端輸入電壓分別為：

(VINP0-V+)/R3+(VREF-V+)/R4=0

(VINN-V-)/R1+(VOUT-V-)/R2=0

根據差分放大器負反饋工作特點，可得差分放大器輸出電壓為：

VOUT=PGAIN*(NGAIN+1)/(PGAIN+1)*VINP0-NGAIN*VINN+(NAGIN+1)/(PGAIN+1)*VREF

選取相同的同相和反相放大系數的情況下，輸出電壓可簡化為：

VOUT=GAIN*(VINP0-VINN) +VREF

其中，放大器同相端參考電壓和輸出分別通過可編程開關ADCSW1和ADCSW2連接到ADC通道ADC0_CH3和ADC0_CH28，在OPAMP_CTR寄存器中使能這兩位以后，ADC可以不經過外部連線直接采樣OPAMP的相關模擬信號大小。

OPAMP的初始化流程如下：

1.  釋放OPAMP對應的外設復位標志位，詳見產品手冊中SYSCON.MRCC寄存器的描述。

2.  使能OPAMP的供電，詳見產品手冊中SOC_CNTRL寄存器的描述。

3.  根據應用需要，配置OPAMP_CTR寄存器中相關標志位。

4.  在OPAMP_CTRL寄存器的EN標志位寫1使能OPAMP。

以上為可編程運放的基本工作原理，下面介紹一些典型工作模式。

(1) 反相放大器

圖2 反相放大電路示意圖

其中，上方為簡化后的等效電路。反相放大電路電路需要使能OUTSW,并且將同相端輸入接地。如此則輸出電壓為：

VOUT=-GAIN*Vin+VREF

(2) 同相放大器

圖3 同相放大電路示意圖

同相放大電路電路需要將反相端輸入接地，輸入電壓連接到INP。如此則輸出電壓為：

VOUT=(GAIN+1)*Vin+VREF

(3) 帶偏置的差分放大器

圖4 電壓跟隨電路示意圖

在正負端配置對稱的電阻增益網絡，即R2/R1=R4/R3,并配置一個合適的正相偏置電壓，可以將輸入電壓放大一定倍數疊加到偏置電壓上。這樣可以實現將一個交流小信號放大并調理到ADC可以采樣的范圍內，并且盡可能地利用到ADC的有效采樣范圍。

(4)電壓跟隨器

圖5 電壓跟隨電路示意圖

電壓跟隨電路需禁用同相端參考電壓源，且將INN懸空，在這種情況下，輸出電壓等于輸入電壓。

下面是利用MCU內部運放實現單電阻采樣的交流電機矢量控制簡圖，利用MCXA15x片上運放放大分流電阻上的小電壓信號。由于分流電阻上的電流是交流量，通常會在運放內部配置一個1.65V的參考電壓，將待測電流放大為以1.65V為基準上下波動的電壓量，充分利用ADC采樣量程。運放輸出可以在芯片內部直接連接到ADC和CMP，通過配置合適的CMP比較邏輯產生對應的故障信號直接鎖存PWM輸出，實現快速硬件保護。OPAMP的使用可以大大簡化MCU的片外電路設計。

圖6 采用內部運放的單電阻采樣電機控制設計圖

今天為大家簡單介紹了MCXA156系列MCU片上可編程運放的特點和應用示例。