LPC553x:LPC5536 OPAMP 性能测试

小恩GG

LPC5536 OPAMP 性能测试

1.运算放大器模块简介

    LPC5536有三个可以独立工作的OPAMP模块（OPAMP0、OPAMP1、OPAMP2），可选工作模式包括低噪声模式和高速模式。每一个OPAMP模块的正负极的电阻增益都是可编程的。

图1.  LPC5536-OPAMP原理框图

    LPC5536每个单独的OPAMP模块原理框图如图 1所示，正负极输入管脚的输入信号，经过内部电阻矩阵输入放大器。

图2.  LPC5536-OPAMP等效电路

    如图2所示，内部电阻矩阵等效为R1、R2、R3、R4四个电阻，可编程增益PGAIN、NGAIN实际上表示的是内部电阻矩阵的电阻比值，即：

    用户通过设置PGAIN和NGAIN的值，控制运放正极和负极连接的电阻矩阵，从而实现不同的放大倍数。正负极增益可选值包括：1X、2X、4X、8X、16X、33X、64X。

    正极参考电压可选项包括DAC、VDDA、VREF0，控制寄存器OPAMP_CTR [18-17]位用于选择正极参考电压连接的输入。

    00b：连接DAC输出到OPAMP正极参考电压（OPAMP0-DAC0, OPAMP1-DAC1, OPAMP2-DAC2）；

    01b：VDDA；

    10b：VREFOUT是设备的VREF模块输出VREF_OUT，参考手册中对VREF的描述，输出值大小1~2.1V可调；

2.运算放大器工作模式

    参考第1节中的图 2，记输出管脚OPAMPx_OUT的电压值为Vout，运放正负极输入管脚OPAMPx_INP和OPAMPx_INN的电压值分别为为Vinp、Vinn，正极参考电压为Vpref。

    下面给出LPC5536-OPAMP在电压跟随、同相放大、差分放大模式这三种工作模式下的寄存器配置和性能分析，以供参考。更多关于运算放大器的工作模式可以参考文档：[AN13508]OPAMP Usage on LPC553x/LPC55S3x。

2.1 电压跟随模式

图 3.  将OPAMP用作电压跟随器

    设置控制寄存器OPAMP_CTR [26-24] 位NGAIN=000b，OPAMP工作在电压跟随模式，负极不接入电阻矩阵；连接OPAMP输出和负极输入；设置OPAMP_CTR [18-17] 位PREF=10b，但是不使能VREF模块，此时PREF高阻。电压跟随模式输出公式为：

2.2 同相比例放大模式

图 4. 将OPAMP用作同相比例放大器

    设置OPAMP_CTR [18-17] 位PREF=10b，但是不使能VREF模块，此时PREF高阻，正极输入电压直接到运算放大器正极。负极输入接地，Vinn=0，此时运算放大器工作在同相放大模式。同相放大输出公式为：

2.3 差分模式

图 5. 将OPAMP用作差分放大器

    设置控制寄存器OPAMP_CTR [18-17] 位PREF=01b，此时DAC0_OUT连接到正极参考电压，令DAC0输出0电平，Vpref=0。差分放大输出公式为：

    当PGAIN=NGAIN时，输出公式可以简化为：

3.LPC5536-EVK测试准备

图6.  LPC5536-EVK-OPAMP0电路原理图

    如图 6所示，测试电压通过RSHUNT_CURA_P和RSHUNT_CURA_N（EVK的J13-1和J13-3）输入到运放正负极。经过EVK上的限流电阻R516/R517和上拉电阻R193/R194，实际输入OPAMP的正负极电压Vinn和Vinp位置如图 6所示。为了减少计算复杂性，我们去除上拉电阻R193/R194，短接限流电阻R516/R517，电阻位置参考图 7。

    OPAMP0输出可以在板子中部的TP40 OPAMP0_Out或者mikroBUS的J7-AN接口测量。测试中用到的OPAMP正极参考电压DAC0_OUT位于J12-4，VREF_OUT位于J12-16。测试点在EVK的位置参考图 7。本文测试中，正负极输入通过RSHUNT_CURA_P和RSHUNT_CURA_N输入，输出通过mikroBUS的J7-AN测量。

图 7.  LPC5536-EVK实物图

4.测试结果及分析

    本章测试了LPC5536-OPAMP的电压跟随模式、同相比例放大模式和差分放大模式，测试所使用的软件、硬件如下所示。

软件：

MCUXpresso IDEv11.6.0

SDK_2_10_2_LPCXpresso55S36

硬件：

       LPCXpresso5536-EVK

       信号发生器HP 33120A

       万用表

    测试连接方式参考图 8所示（以同相比例放大测试电路和差分放大测试电路为例）。

图8.  测试电路连接图

4.1  电压跟随测试结果

    如2.1节所述，配置OPAMP寄存器，连接OPAMP输出和负极输入，控制正极输入，测量OPAMP0_OUT输出电压。代码参考如图 9所示。

图9. 电压跟随模式配置代码

    电压跟随输出结果如图 10所示，LPC5536的电压跟随性能好，输出误差非常小，接近于0。

图10.  LPC5536-OPAMP电压跟随模式电压传输特性

4.2   同相比例放大测试结果

    如2.2节所述，配置OPAMP寄存器，负极输入RSHUNT_CURA_N管脚接地，控制RSHUNT_CURA_P输入，测量NGAIN分别等于1X、4X、16X、33X、64X时，OPAMP0_OUT输出电压。此时根据同相比例放大公式(2-2)，OPAMP的同相比例放大倍数分别为2X、5X、17X、34X、65X。代码参考如图 11所示。

图11.  用作同相比例放大器配置代码

    同相放大输出结果如图 12所示，LPC5536在工作区间内有较好线性。

图 12.同相比例放大电压传输特性

    下面根据同相比例放大测试数据，分析、计算运算放大器误差。

4.2.1误差理论分析

    根据2.2节中公式(2-2)，理想的运算放大器在同相比例放大时具有输出

    由于输入端存在一很小的输入失调电压Vio(inputoffset voltage)，同时NGAIN存在增益误差EGAIN(gain error)，则输出真实值Vreal为

    运算放大器测量的真实输出值和计算得到的理想值的差值，记为输出误差

    运算放大器的输入失调电压和正负极矩阵的增益误差是我们所关心的两个静态误差，它们直接影响了运算放大器输出的准确性。

对于一般的运算放大器输入失调电压，可以采用在电压跟随模式下测量零偏的方法测量。但是当输入失调电压为负值时，因为管脚电压定义限制，OPAMP_OUT最小输出为0，不会输出负电压值，我们无法通过这种方式测量输入失调电压。另一方面，运算放大器输入失调电压很小，直接测量对测量设备的精度要求很高。

    这里，我们根据同相放大测量数据拟合直线，估计OPAMP的增益误差和输入失调电压。

    测试输入电压Vinp记作x­T={x1, x2,…,xi,…,xn}，测量到对应的输出电压Vreal记作y­T={y1, y2,…, yi,…,yn}。拟合的比例放大线性输出公式为：

    由最小二乘法，得到待估参数

    增益误差估计有

    记同相放大的输出失调误差估计

    则输入失调电压估计有

    如图13所示，计算得到的拟合直线截距为输出失调误差估计，拟合直线与理想输出直线的斜率差为增益误差。

图13.  同相比例放大误差示意图

    本节给出了各误差量的计算公式。具体来说，在测试中，我们记录每一组测试的输入电压Vinp，输出电压Vreal，记为输入x­T和对应的输出y­T；由x­T和y­T计算拟合直线的待估参数k、b；由拟合直线参数k、b，得到运算放大器的增益误差、输出失调误差、输入失调电压计算公式。

4.2.2增益误差和输出失调误差测试结果

    由公式(4-8)，计算LPC5536-OPAMP在不同NGAIN值设置下的增益误差，结果如图 14所示。增益误差主要来自电阻矩阵的电阻比例误差。增益倍数越大，增益误差的绝对值越大。最大相对误差在NGAIN=64时，相对误差-0.9%。

图14.  增益误差图

    由公式(4-9)，LPC5536-OPAMP在不同NGAIN值设置下的输出失调误差如图 15所示。在同相比例放大工作模式下，OPAMP的输入失调电压被放大，造成输出失调误差。放大倍数越大，输出失调误差绝对值越大。在同相比例放大65X时，输出失调误差最大， 达到了-37.5mV。由公式(4-10），计算得到LPC5536-OPAMP的输入失调电压约为-0.65mV。

图15.  输出失调误差图

4.2.3 OPAMP输出误差

    由公式(4-4)，计算得到同相比例放大的误差变化图，如图 16所示。LPC5536在低放大倍数精度较高，在高放大倍数时，受输入失调电压放大影响，与理想输出的误差增加。在同相比例放大倍数65X时理想输出接近饱和时，有最大误差值-68mV。

图 16.  误差变化图

4.4 差分放大测试结果

    如2.3节所述，配置OPAMP寄存器，负极输入RSHUNT_CURA_N管脚接地，控制RSHUNT_CURA_P输入，测量PGAIN=NGAIN，在4X、8X、16X、33X、64X时，OPAMPx_OUT的输出电压。此时Vinn=0，根据2.3节的差分放大公式(3-3)，OPAMP对正极输入放大倍数为4X、8X、16X、33X、64X。

    OPAMP初始化代码参考如图 17所示。

图17.  用作差分放大器配置代码

    DAC初始化代码参考如图 18所示，令DAC输出为0。

图18.  DAC配置代码

    输出结果如图 19所示，LPC5536在工作区间内有较好线性。

图19.  差分放大电压传输特性

    图 20展示了LPC5536在差分放大倍数64X时输出误差，LPC5536差分放大时的输出误差随着放大倍数的增加而增加。

图20.  误差变化图

5.小结

    经过测试验证，LPC5536-OPAMP的精度符合数据手册描述，增益误差<5%，输入失调电压<5mV，可以一定程度满足用户对于运放使用的精度需求。值得一提的是，在低放大倍数时，LPC5536-OPAMP的输出误差很小，比如在同相比例放大倍数2X、5X时，全量程误差都在个位数mV。对于要求更高精度运放的场景，可以外接高精度电阻使用，以实现更高的输出精度。

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NXP管管

感谢小恩GG分享

jobszheng5

这一通模拟电子学**来，确实要累很多！
需要不需要挑战一下模拟电子呢？！

meiyao

感谢分享

ldptest

进来学习测试方法。