探究STM32G4系列控制器中运算放大器的应用

发布时间:2023-10-09  

最近在开发一款产品的过程中用到了STM32G4系列的产品STM32G491,了解到该产品的一些优势,不仅其数字处理能力强大,更重要的是集成了丰富的模拟外设电路 - 多路模拟开关/比较器/运算放大器、ADC、DAC、温度传感器等,而且运算放大器的结构和增益都可以编程,非常灵活,能够满足大多数场景的应用,比如电机控制、工业设备、仪器仪表、数字电源等产品。


顺便讲一下,这颗芯片用在电赛中会非常合适 - 功能强大、产品指标较高,使用便捷。


虽然单颗器件的价格会高一些,但高集成度节省了板卡的面积,降低了BOM的整体成本,当然更重要的是其灵活性。

这颗器件的数字信号处理能力也非常强,比如带有FPU功能的Cortex M4内核能够运行到高达170MHz的时钟速度,并支持:

数学运算加速,比如Cordic - 非常适用于FOC电机控制

滤波数学加速(FMAC)- 数字电源、Sigma Delta调制、噪声成型,有FIR滤波器和IIR滤波器

以下是一个系统应用,充分利用了数字信号处理和模拟信号处理的混合能力,在一颗芯片中搞定所有的功能:

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这个芯片的定位就是电机控制、数字电源等,有不同的系列,在我们的产品中出于性价比的考虑,选用了STM32G491系列。

其内部有3个12位/4Msps的ADC、4路12位,最高转换率可以达到15Msps的DAC(搭配能够产生各种信号的算法,做信号发生器非常方便)、还有4个可以灵活编程的运算放大器。

STM32G4系列内部运算放大器的结构如下:

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可以通过寄存器的配置来设置内部的连接关系和放大器的增益

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它的主要技术指标:

输入电压偏移:大约位+/-3mV(通过内部的校准以后能够达到的精度)

模拟带宽:大约13MHz

压摆率:正常模式大约为6.5 V/μs, 高速模式大约为45 V/μs.

输出饱和电压:低于100mV(轨到轨)

增益:

正:+1, +2, +4, +8, +16, +32, +64

负:-1, -3, -7, -15, -31, -63

开环增益:-95dB

唤醒时间:3 μs

配置为反相放大器:

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反相放大器再并联反馈电阻

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配置为同相放大器

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同相放大器并联反馈电阻/电容

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反相放大器的输入端通过模拟开关切换输入的信号源

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在同相放大器的输入端通过模拟开关切换输入源

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放大器的输出端也可以通过模拟开关切换,可以将信号输出到外面的管脚,也可以直接连接到内部ADC的输入端。

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可以在芯片外部添加直流偏移:

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同相放大器添加外部滤波器:

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添加外部直流偏移 + 滤波器:

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下面是几个应用示例:

用于光电检测的跨阻配置:

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2. 用于驱动ADC的跟随器

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3 同相放大配置中的内部增益可编程调节:

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4 用于ADC输入端的抗混叠滤波器(AAF)的作用对比示意:

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5. 采用了外部电容的可编程增益配置

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6. 双电机控制应用中的STM32G4内部配置:

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电机驱动的外部电路连接:

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今天文章中的截图来自ST官网上的一篇应用指南,内容有43页,有兴趣的同学可以搜一下来细致阅读,该文章的名字为:

AN5306: Operational Amplifier (OPAMP) usage in STM32G4 Series

希望对大家有帮助。


文章来源于:电子工程世界    原文链接
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