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电路运放、IO电路

运算放大器、IO电路学习

运算放大器

  运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。由于早期应用于模拟计算机中用以实现数学运算，因而得名“运算放大器”。

  当信号从“+”端口输入时，输出信号与输入信号同向；当信号从“-”端口输出时，输出信号与输入信号反相。两个端口同时输入信号时，进行减数运算。

开环电路

Vout=(V+−V−)×AogV_{out}=(V_+-V_-)\times Aog

  Aog代表运算放大器的开环回路差动增益，这个增益非常大，所以非常微小的讯号都可能导致输出饱和。

闭环负反馈

反相比例放大电路

  将运算放大器的反相输入端与输出端连接起来，放大器电路就处在负反馈组态的状况，此时通常可以将电路简单地称为闭环放大器。通俗地说，也就是放大器将输入信号反转并改变它。

  输入通过电阻 R1 提供给反相输入端，非反相端接地。输出通过反馈电阻 Rf 反馈到反相输入端。

这里利用理想运算放大器的两条假设：

  1. “虚断”：负反馈网络自己的特性能够使Error达到最小，认为 V1V_1 与 V2V_2 的电流信号恒为0
  2. “虚短”：差分输入电压为零，即 V1−V2=0V_1-V_2=0 （虚拟接地）

  反相运算放大器闭环增益方程推导如下：

i=Vin−VoutRin+Rfi=Vin−V2Rin=V2−VoutRf\begin{aligned} i&=\frac{V_{in}-V_{out}}{R_{in}+R_{f}}\\ i&=\frac{V_{in}-V_2}{R_{in}}=\frac{V_2-V_{out}}{R_f} \end{aligned}

对上两式求解方程得：

VoutVin=−RfRin\begin{aligned} \frac{V_{out}}{V_{in}}=-\frac{R_f}{R_{in}} \end{aligned}

  通过这个式子，我们可以知道：

  • 反相放大器的增益为负。
  • 反相放大器增益取决于所使用的电阻值

同相比例放大电路

  由于引入电压串联负反馈，可以提高输入电阻，提高程度与反馈深度有关，同时在理想运放条件下，可以看作输入电阻 R′R' 为无穷大。

  同样利用理想运算放大器的假设，有如下式子：

Vin−0R=Vout−VinRf\frac{V_{in}-0}{R}=\frac{V_{out}-V_{in}}{R_f}

于是可以得出：

Vout=Vin×(1+RfR)V_{out}=V_{in}\times(1+\frac{R_f}{R})

差分放大电路

  同样利用理想运算放大器的假设，有如下式子：

V5−0R3=V+−V5R2V6−V−R1=Vout−V6R4V5=V6R1=R2R3=R4\frac{V_5-0}{R_3}=\frac{V_+-V_5}{R_2}\\ \frac{V_6-V_-}{R_1}=\frac{V_{out}-V_6}{R_4}\\ V_5=V_6\\ R_1=R_2\\R_3=R_4

联立解得：

R3(V+−V−)=VoutR1R_3(V_+-V_-)=V_{out}R_1

积分电路

  对瞬时电流进行分析：

ic=Cducdti_c=C\frac{\mathrm{d}u_c}{\mathrm{d}t}

uIR=−Cdu0dt\frac{u_I}{R}=-C\frac{\mathrm{d}u_0}{\mathrm{d}t}

移项积分得：

u0=−1RC∫uIdtu_0=-\frac{1}{RC}\int u_I\mathrm{d}t

微分电路

  分析思路同积分电路。

i=CduIdt=−u0Ri=C\frac{\mathrm du_I}{\mathrm d t}=-\frac{u_0}{R}

得到：

u0=−RCdu1dtu_0=-RC\frac{\mathrm d u_1}{\mathrm d t}

GPIO电路

  GPIO是一个数字信号管脚得集成电路，可被用于输入输出。

GPIO的输入模式

  1. 输入浮空模式

电平加在I/O口上，电平输入到施密特触发器进行整形后送入到输入数据寄存器，供cpu进行读取。（输入浮空模式下，上拉下拉电阻开关关闭）

  1. 输入上拉模式

输入上拉模式下，上拉电阻开关打开，下拉电阻开关关闭。不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平（电阻大概在30-50k）。其余与输入浮空模式一致。

  1. 输入下拉模式

输入下拉模式下，下拉电阻开关打开，上拉电阻开关关闭。外部接入的电平会通过下拉电阻到地。其余与浮空输入模式一致。

  1. 模拟输入模式

上拉下拉电阻是无效的。模拟输入模式下，外部的电压是模拟量，并不是以电平的形式输入。其余与输入浮空模式一致。

GPIO的输出模式

  1. 开漏输出模式

cpu写数据进位设置位清除寄存器，然后映射到输出数据寄存器。输出数据寄存器连通到输出控制电路。若输出高电平（1），N-MOS管关，I/O口端口的电平不会由输出的1来决定，电平由外部上拉下拉决定。（其输出的电平也可以通过输入电路读取进来）

  1. 开漏输出复用模式

开漏复用输出模式输出控制电路之前的来源由复用功能输出，即来自片上外设模块。其余与开漏输出模式一致。

  1. 推挽输出模式

    推挽输入模式控制输出的寄存器与开漏输出一致。若输出1，P-MOS管导通，N-MOS管截止，I/O口输出1。若输出0，N-MOS管导通，P-MOS管截止，I/O口输出0。

  2. 推挽复用输出模式·

    推挽复用输出模式通过复用功能输出，其他与推挽输出模式一致。

注：推挽输出可以输出强高低电平，连接数字器件。而开漏输出只可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。

每组GPIO端口的寄存器包括两个32位配置寄存器，两个32位数据寄存器，一个32位置位/复位寄存器，一个16位复位寄存器，一个32位锁定寄存器。

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