Микроконтроллеры Energy Micro семейства Gecko: Встроенные операционные усилители


В большинство микроконтроллеров серии EFM32 производства Energy Micro встроены очень полезные элементы - операционные усилители.
Если функционал и применение операционных усилителей в общей схемотехнике по большому счету вопросов не вызывает, то их присутствие в микроконтроллерах часто вызывает недоуменные вопросы, которые по большей части сводятся к следующим:
  1. Зачем в микроконтроллере операционный усилитель?
  2. Каких параметров можно ожидать от операционного усилителя, встроенного в микроконтроллер?
  3. Как можно использовать операционный усилитель, встроенный в микроконтроллер?
Попробуем по возможности дать ответы на эти вопросы.

Мы ничего не поймем в нижеизложенном, если не будем хотя бы в общих чертах представлять себе теорию функционирования операционных усилителей (далее - ОУ). Те же, кто с ОУ на "ты", вполне могут пропустить следующий раздел и сразу перейти к фактической информации.

Теория ОУ в двух словах
Условное графическое обозначение ОУ приведено на рисунке 1. Стандартный ОУ имеет 3 основных вывода (инвертирующий и неинвертирующий входы, выход) и два вывода питания.

AN0038-fig1.gif
Рисунок 1. Условное графическое обозначение операционного усилителя

В чисто теоретическом случае выходное напряжение на выходе ОУ равно разнице потенциалов на входах, умноженной на коэффициент усиления ОУ:

VOUT=AOL×(V+ - V)     (1)
где AOL  - коэффициент усиления ОУ без обратных связей.

Выводы напряжения питания определяют предельные параметры по напряжению - выходное напряжение не может быть больше напряжения питания.
ОУ без обратных связей применяется крайне редко. В подавляющем большинстве случаев вводятся разного рода обратные связи, позволяющие регулировать усиление ОУ. В простейшем случае обратная связь реализуется одним-двумя пассивными компонентами, но в реальности это могут быть сложные нелинейные схемы, позволяющие как регулировать, так и осуществлять фильтрацию, корректировку АЧХ и т.д.
Важными параметрами ОУ являются также коэффициент усиления без обратных связей, частота единичного усиления, входное напряжение смещения и скорость нарастания выходного напряжения.
В идеальном ОУ коэффициент усиления, скорость нарастания выходного сигнала и входное сопротивление, естественно, стремятся к бесконечности. При этом напряжение смещения, шумы и выходное сопротивление  - к нулю.
Несмотря на такую "теоретичность", уравнениями для идеального ОУ вполне можно описать обычный ОУ весьма близко к физической реальности.

Краткий обзор ОУ, встроенных в микроконтроллеры EFM32
Микроконтроллеры EFM32 содержат обычно 3 ОУ, имеющие названия OPA0, OPA1 и OPA2. Эти ОУ не зависимы друг от друга, поэтому их можно соединять в более сложные структуры с использованием встроенных или внешних цепочек обратных связей. К каждому ОУ может быть подсоединен встроенный резистивный делитель напряжения, который может быть использован для регулировки коэффициента усиления. Конечно, этот делитель можно и зашунтировать для получения единичного усиления.
Все ОУ, встроенные в микроконтроллеры EFM32, являются rail-to rail по входу и по выходу, что означает, что входной и выходной сигналы могут быть равны по амплитуде напряжению питания.

AN0038-fig2.gif
Рисунок 2. Блок-схема набора ОУ в микроконтроллере EFM32

На рисунке 2 показана внутренняя блок-схема набора ОУ в микроконтроллера EFM32. Нужно отметить, что в отличие от идеальных ОУ, в реальных усилителях напряжения смещения ненулевые и усилители требуют калибровки. В микроконтроллерах EFM32 в усилителях OPA0 и OPA1 напряжения смещения устанавливается в битовых полях CH0OFFSET и CH1OFFSET соответственно в регистре DACn_CAL. Напряжение смещения ОУ OPA2 устанавливается в битовом поле OPA2OFFSET в регистрах DACn_OPAOFFSET.
Фактически, ОУ OPA0 и OPA1 являются частью ЦАПа, встроенного в микроконтроллеры EFM32, и только OPA2 является действительно полностью независимым ОУ. Поэтому при работе каналов ЦАП соответствующие ОУ автоматически используются как выходные буферы и не могут быть использованы по другому назначению. Управление включением и выключением ОУ производится битами OPAxEN в регистрах DACn_OPACTRL.
Таким образом, по умолчанию ОУ OPA0 и OPA1 подсоединены к выходам каналов ЦАП. Однако, любые ОУ могут быть подсоединены к АЦП, другим ОУ, или любые их выводы могут быть выведены на отдельные пины микроконтроллера.

Типовые способы применения ОУ, встроенных в микроконтроллеры EFM32
1. Повторитель напряжения
Простейшим способом применения ОУ является так называемый повторитель напряжения. В этой схеме используется только один ОУ (например, OPA2) и сигнал с выхода ОУ подается напрямую на инвертирующий вход ОУ, как показано на рисунке 3. 

AN0038-fig3.gif
Рисунок 3. Повторитель напряжения на ОУ

Выходное напряжение в этом случае будет равно входному:
VOUT=VIN     (2)
Назначение этой схемы - быть буферным каскадом для увеличения нагрузочной способности устройства.

2. Неинвертирующий усилитель
В данной схеме (рисунок 4) усиливается сигнал, поданный на неинвертирующий вход. 

AN0038-fig4.gif
Рисунок 4. Неинвертирующий усилитель на ОУ

Усиление этой схемы определяется соотношением сопротивлений резисторов R1 и R2 и показано выражением (3):
VOUT=VIN(1+R2/R1)     (3)

3. Инвертирующий усилитель
В случае инвертирующего усилителя входной сигнал инвертируется относительно сигнала (VPOS), поданного на неинвертирующий вход (рисунок 5). 

AN0038-fig5.gif
Рисунок 5. Инвертирующий усилитель на ОУ

Соотношение сопротивлений R2/Rопределяет коэффициент усиления данного типа усилителя. При R2/R1=1 мы получим единичный коэффициент усиления. В этом случае VOUT=2VPOS - VIN.
Обычно значение VPOS выбирается равным половине напряжения питания ОУ (в нашем случае - половина напряжения питания микроконтроллера).
В общем же случае напряжение на выходе ОУ описывается формулой (4):
VOUT= - (VIN-VPOS)R2/R1+VPOS     (4)

4. Каскадирование неинвертирующих усилителей
Для получения максимального коэффициента усиления используют каскадное соединение ОУ, такое как показано на рисунке 6. 

AN0038-fig6.gif
Рисунок 6. Каскадирование неинвертирующих усилителей

В данном случае все три ОУ, встроенных в микроконтроллер, соединяются последовательно и сигнал с выхода каждого предыдущего ОУ подается на неинвертирующий вход следующего ОУ. Если обозначить коэффициент усиления каждого ОУ символом, скажем, "КУ", то общий коэффициент усиления данной схемы будет равен КУΣ=Ку³.
Если сопротивления резисторов обратных связей будет таким, как показано на рисунке 6, то общий коэффициент усиления можно будет рассчитать по формуле (5):
VOUT3=(1+R2/R1)³•VIN     (5)

5. Каскадирование инвертирующих усилителей
Каскадное соединение ОУ, такое, как показано на рисунке 7, также используется на практике. 

AN0038-fig7.gif
Рисунок 7. Каскадирование инвертирующих усилителей

В данном случае все три ОУ, встроенных в микроконтроллер, также соединяются последовательно, но  сигнал с выхода каждого предыдущего ОУ подается на инвертирующий вход следующего ОУ. 
Расчет коэффициента усиления полностью аналогичен предыдущему случаю и также определяется формулой (5).

6. Дифференциальный усилитель на двух ОУ
В этой конфигурации (рисунок 8) используются два ОУ и на выходе такого усилителя присутствует разница между входными сигналами. 

AN0038-fig8.gif
Рисунок 8. Дифференциальный усилитель на двух ОУ

Первый ОУ используется как повторитель сигнала, а для второго ОУ задействована обратная связь. Выходной сигнал также является дифференциальным и описывается выражением (6):
VDIFF=(V2-V1)•R2/R1     (6)

7. Дифференциальный усилитель на трех ОУ
Дифференциальные усилители на трех ОУ (рисунок 9) являются наиболее употребительными в схемотехнике, поскольку обеспечивают наиболее стабильные параметры. 

AN0038-fig9.gif
Рисунок 9. Дифференциальный усилитель на трех ОУ

В этой конфигурации задействованы все три ОУ, встроенные в микроконтроллеры серии EFM32. ОУ OPA0 и OPA1 используются как повторители сигнала, выходы которых соединены с неинвертирующим и инвертирующим входами ОУ OPA2, в котором задействована отрицательная обратная связь.
Выражение, описывающее зависимость выходного сигнала от входных, подобно (6):
VOUT=(V2-V1)•R2/R1

Технические параметры операционных усилителей, встроенных в микроконтроллеры серии EFM32

ПараметрУсловиемин. тип.  макс  ед. изм. 
Активный потребляемый ток IOPAMP(OPA2) BIASPROG=0x0,
(OPA2) HALFBIAS=0x1, Unity Gain
13
мкА
(OPA2) BIASPROG=0x7,
(OPA2) HALFBIAS=0x1, Unity Gain
100мкА
(OPA2) BIASPROG=0xF,
(OPA2) HALFBIAS=0x0, Unity Gain
400мкА
Коэффициент усиления с открытой обратной связью GOL(OPA2)BIASPROG=0x0,
(OPA2)HALFBIAS=0x1
91
дБ
(OPA2)BIASPROG=0x7,
(OPA2)HALFBIAS=0x1
98
дБ
(OPA2)BIASPROG=0xF,
(OPA2)HALFBIAS=0x0
101
дБ
Полоса пропускания GBWOPAMP(OPA2)BIASPROG=0x0,
(OPA2)HALFBIAS=0x1
0.25МГц
(OPA2)BIASPROG=0x7,
(OPA2)HALFBIAS=0x1
1.8МГц
(OPA2)BIASPROG=0xF,
(OPA2)HALFBIAS=0x0
6.1МГц
Входное сопротивление RINPUT100МОм
Сопротивление нагрузки RLOAD200Ом
Максимальный ток нагрузки ILOAD_DC11мА
Входное напряжение смещения VOFFSETUnity Gain, VSS<Vin<DD-1.2,
OPAxHCMDIS=1
1мВ
Unity Gain, VSS<Vin<DD,
OPAx-HCMDIS=0
6мВ
Температурный дрейф входного напряжения смещения 0.02мВ/°С
Подробнее о применении ОУ, встроенных в микроконтроллеры серии EGM32 производства Energy Micro (Silicon Laboratories), можно прочитать в примере применения (и загрузить демо-код):





Назад в раздел