恩智浦：MCXA156系列处理器之片上运算放大器
全新的MCX A系列融合了恩智浦通用MCU的特点，适用更为广泛的通用应用，实现了低成本，低功耗，高安全性和高可靠性。其中的MCXA154/MCXA155/MCXA156型号提供了片上集成运算放大器，可以实现简易的信号调理和驱动功能，为电路设计带来便利，减少了总体元件成本。本文将介绍MCXA15系列的片上运算放大器与几种典型应用。
MCXA系列片上可编程运放(Operational Amplifier --OPAMP)结构如图1所示，主要包含差分放大器，同相端与反相端两个可编程电阻网络，反馈回路以及同相端参考电压源。
图1 MCXA 系列片上运放结构简图
在反馈回路联通(使能可编程开关OUTSW)的情况下，差分放大器的同相端和反相端输入电压分别为：(VINP0-V+)/R3+(VREF-V+)/R4=0(VINN-V-)/R1+(VOUT-V-)/R2=0
根据差分放大器负反馈工作特点，可得差分放大器输出电压为：
VOUT=PGAIN*(NGAIN+1)/(PGAIN+1)*VINP0-NGAIN*VINN+(NAGIN+1)/(PGAIN+1)*VREF
选取相同的同相和反相放大系数的情况下，输出电压可简化为：
VOUT=GAIN*(VINP0-VINN) +VREF
其中，放大器同相端参考电压和输出分别通过可编程开关ADCSW1和ADCSW2连接到ADC通道ADC0_CH3和ADC0_CH28，在OPAMP_CTR寄存器中使能这两位以后，ADC可以不经过外部连线直接采样OPAMP的相关模拟信号大小。
OPAMP的初始化流程如下：
1. 释放OPAMP对应的外设复位标志位，详见产品手册中SYSCON.MRCC寄存器的描述。
2. 使能OPAMP的供电，详见产品手册中SOC_CNTRL寄存器的描述。
3. 根据应用需要，配置OPAMP_CTR寄存器中相关标志位。
4. 在OPAMP_CTRL寄存器的EN标志位写1使能OPAMP。
以上为可编程运放的基本工作原理，下面介绍一些典型工作模式。
(1) 反相放大器
图2 反相放大电路示意图
其中，上方为简化后的等效电路。反相放大电路电路需要使能OUTSW,并且将同相端输入接地。如此则输出电压为：
VOUT=-GAIN*Vin+VREF
(2) 同相放大器
同相放大电路电路需要将反相端输入接地，输入电压连接到INP。如此则输出电压为：
VOUT=(GAIN+1)*Vin+VREF
(3) 带偏置的差分放大器
图4 电压跟随电路示意图
在正负端配置对称的电阻增益网络，即R2/R1=R4/R3,并配置一个合适的正相偏置电压，可以将输入电压放大一定倍数叠加到偏置电压上。这样可以实现将一个交流小信号放大并调理到ADC可以采样的范围内，并且尽可能地利用到ADC的有效采样范围。
(4)电压跟随器
图5 电压跟随电路示意图
电压跟随电路需禁用同相端参考电压源，且将INN悬空，在这种情况下，输出电压等于输入电压。
下面是利用MCU内部运放实现单电阻采样的交流电机矢量控制简图，利用MCXA15x片上运放放大分流电阻上的小电压信号。由于分流电阻上的电流是交流量，通常会在运放内部配置一个1.65V的参考电压，将待测电流放大为以1.65V为基准上下波动的电压量，充分利用ADC采样量程。运放输出可以在芯片内部直接连接到ADC和CMP，通过配置合适的CMP比较逻辑产生对应的故障信号直接锁存PWM输出，实现快速硬件保护。OPAMP的使用可以大大简化MCU的片外电路设计。
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