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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_1V2V_2 的电流信号恒为0
  2. “虚短”:差分输入电压为零,即 V1V2=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=VinVoutRin+Rfi=VinV2Rin=V2VoutRf\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 RR' 为无穷大。

  同样利用理想运算放大器的假设,有如下式子:

Vin0R=VoutVinRf\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:

V50R3=V+V5R2V6VR1=VoutV6R4V5=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=1RCuIdtu_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。