探究STM32G4系列控制器中运算放大器的应用

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：

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：

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

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：

反相放大器再并联反馈电阻

配置为同相放大器

同相放大器并联反馈电阻/电容

反相放大器的输入端通过模拟开关切换输入的信号源

在同相放大器的输入端通过模拟开关切换输入源

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。

可以在芯片外部添加直流偏移：

同相放大器添加外部滤波器：

添加外部直流偏移 + 滤波器：

下面是几个应用示例：

用于光电检测的跨阻配置：

2. 用于驱动ADC的跟随器

3 同相放大配置中的内部增益可编程调节：

4 用于ADC输入端的抗混叠滤波器（AAF）的作用对比示意：

5. 采用了外部电容的可编程增益配置

6. 双电机控制应用中的STM32G4内部配置：

电机驱动的外部电路连接：

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。

更希望备战电赛的同学们有帮助！

编辑：jq