44. Аналоговые блоки внутри кристалла: OPAMP и COMP

Между датчиком и АЦП почти всегда стоит хотя бы один операционный усилитель, а рядом с силовым ключом — компаратор, который выключит ШИМ быстрее любого прерывания. У старших семейств STM32 и то и другое уже на кристалле: с резисторами усиления, с порогом от встроенного ЦАП, с выходом прямо в АЦП или в аварийный вход таймера. Раздел о том, что эти блоки умеют, чего не умеют и как из них собрать защиту по току, не добавив на плату ничего, кроме шунта.

Опорные камни здесь — G474 (шесть ОУ, семь компараторов) и L476 (по два); F103 и F407 упомянуты как семейства, у которых этих блоков нет и задача решается иначе.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
operational amplifier (op-amp, OPAMP)	операционный усилитель, ОУ
comparator (COMP)	компаратор
rail-to-rail	вход и выход работают во всём диапазоне от земли до питания
input offset voltage	напряжение смещения нуля, «смещение»
offset trimming, calibration	подстройка смещения, калибровка
gain-bandwidth product (GBW)	произведение усиления на полосу
slew rate	скорость нарастания выходного напряжения
programmable gain amplifier (PGA)	усилитель с программируемым усилением
follower, unity-gain buffer	повторитель, буфер с усилением 1
common-mode input range	диапазон синфазного (общего для обоих входов) напряжения
hysteresis	гистерезис: разные пороги на включение и выключение
propagation delay	задержка распространения: от пересечения порога до выхода
blanking	гашение: на время помехи выход не учитывается
window comparator	оконный компаратор: два порога, сигнал «внутри окна»
break input (BKIN)	аварийный вход таймера
shunt resistor	шунт: резистор, по падению на котором измеряют ток
internal voltage reference (VREFINT)	внутреннее опорное напряжение

44.1 У кого что есть

Встроенная аналоговая обвязка — признак семейств, рассчитанных на управление двигателями и преобразователями. У «классики» её нет.

Число блоков и биты регистров ниже — из заголовков семейств; там, где раздел говорит «у G4», подразумеваются оба G4-камня, они отличаются только количеством.

44.2 Что умеет встроенный ОУ

Это не прецизионный усилитель из каталога, а быстрый и удобный «достаточно хороший» ОУ. Его параметры (G4, типовые; в скобках — предельные) надо знать, потому что из них следуют границы применения.

Вход и выход — rail-to-rail, синфазный диапазон 0…VDDA; отрицательного питания нет, поэтому усиливать можно только положительные сигналы — либо смещать их в середину шкалы.

44.3 Четыре включения без внешних деталей

Внутри — сам усилитель плюс мультиплексоры на входах и выходе и резистивный делитель обратной связи. Настройка ОУ — это настройка мультиплексоров.

Делитель одинаков для обоих направлений: неинвертирующее усиление 1 + R2/R1 даёт ×2…×64, инвертирующее −R2/R1 на тех же резисторах — на единицу меньше: −1…−63.

Повторитель. Самое частое включение: буфер между высокоомным источником (делитель на мегаомах, пьезодатчик, фотодиод) и АЦП, которому нужен источник в единицы килоом (раздел 14.2).

/* Повторитель: вход VINP0, выход на вывод VOUT.
   ОУ и компараторы G4 тактируются вместе с SYSCFG. */
static void opamp1_follower(void)
{
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SYSCFGEN;
    OPAMP1->CSR = (VPSEL_VINP0    << OPAMP_CSR_VPSEL_Pos)
                | (VMSEL_FOLLOWER << OPAMP_CSR_VMSEL_Pos)
                | OPAMP_CSR_OPAMPxEN;
}

Усилитель ×16 с выходом в АЦП. Ни одного внешнего резистора: сигнал с шунта приходит на VINP0, усиливается и уходит на внутренний канал.

static void opamp1_pga16_to_adc(void)
{
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SYSCFGEN;
    OPAMP1->CSR = (VPSEL_VINP0   << OPAMP_CSR_VPSEL_Pos)
                | (VMSEL_PGA     << OPAMP_CSR_VMSEL_Pos)
                | (PGA_CODE(16u) << OPAMP_CSR_PGGAIN_Pos)
                | OPAMP_CSR_OPAMPINTEN          /* вывод VOUT остаётся свободным */
                | OPAMP_CSR_OPAMPxEN;
}

Куда именно приходит внутренний выход — зафиксировано в заголовке: OPAMP1 → ADC1, канал 13; OPAMP2 → ADC2, канал 16; OPAMP3 → ADC3, канал 13. При чтении этого канала время выборки — не короче 200 нс (раздел 14.2).

⚠️ Полоса делится на усиление. ×64 — это уже 200 кГц, и импульс тока длительностью в микросекунду через такой усилитель пройдёт сглаженным. Для защиты быстрых ключей берут меньшее усиление и больший шунт либо ставят компаратор до усилителя.

44.4 Смещение и его подстройка

Смещение — главная погрешность ОУ, и усиление её не лечит, а умножает. На шунте 10 мОм смещение 1,5 мВ — это 150 мА ошибки тока, 3 мВ — 300 мА. Поэтому у встроенного ОУ есть два способа подстройки:

• заводская — коды записаны при производстве, используются по умолчанию (USERTRIM = 0); даёт ±1,5 мВ при комнатной температуре;
• пользовательская — USERTRIM = 1, коды в полях TRIMOFFSETP и TRIMOFFSETN (по 5 бит, шаг 1,1…1,65 мВ) подбирает сама прошивка при текущей температуре.

Подстроек две, потому что входной каскад двойной: один работает при низком синфазном напряжении, другой — при высоком. Каждый калибруют при своём напряжении: CALSEL подаёт на входы 3,3 / 10 / 50 / 90 % VDDA. Процедура: включить калибровку (CALON), выбрать напряжение, увеличивать код с нуля и после каждого шага ждать установления; первый код, при котором бит OUTCAL сменился с 1 на 0, — искомый.

extern void delay_ms(uint32_t ms);

static uint32_t trim_scan(uint32_t calsel, uint32_t pos, uint32_t msk)
{
    uint32_t code;
    OPAMP1->CSR = (OPAMP1->CSR & ~OPAMP_CSR_CALSEL_Msk) | (calsel << OPAMP_CSR_CALSEL_Pos);
    for (code = 0u; code < 32u; code++) {
        OPAMP1->CSR = (OPAMP1->CSR & ~msk) | (code << pos);
        delay_ms(2u);
        if ((OPAMP1->CSR & OPAMP_CSR_OUTCAL) == 0u)
            break;                                  /* первый код, при котором выход упал */
    }
    return code;
}

static void opamp1_user_calibrate(void)
{
    uint32_t work = OPAMP1->CSR;                    /* рабочая настройка — вернуть потом */
    OPAMP1->CSR = OPAMP_CSR_USERTRIM | OPAMP_CSR_CALON | OPAMP_CSR_OPAMPxEN;
    (void)trim_scan(CALSEL_90, OPAMP_CSR_TRIMOFFSETN_Pos, OPAMP_CSR_TRIMOFFSETN_Msk);
    (void)trim_scan(CALSEL_10, OPAMP_CSR_TRIMOFFSETP_Pos, OPAMP_CSR_TRIMOFFSETP_Msk);
    OPAMP1->CSR = (work & ~(OPAMP_CSR_TRIMOFFSETP_Msk | OPAMP_CSR_TRIMOFFSETN_Msk | OPAMP_CSR_CALON))
                | (OPAMP1->CSR & (OPAMP_CSR_TRIMOFFSETP_Msk | OPAMP_CSR_TRIMOFFSETN_Msk))
                | OPAMP_CSR_USERTRIM;
}

Библиотечная HAL_OPAMP_SelfCalibrate() делает то же самое двоичным поиском с паузой 2 мс на шаг. Калибруют при старте, когда кристалл прогрелся до рабочей температуры, и повторяют, если она заметно меняется: дрейф 10 мкВ/°C за 60 °C съедает 0,6 мВ.

Бит LOCK замораживает CSR до сброса: настройка защиты, которую не испортит случайная запись.

44.5 Выход внутрь, переключение по таймеру, буфер ЦАП

В АЦП без вывода. OPAINTOEN = 1 отсоединяет выход от вывода и подаёт его на внутренний канал АЦП. Экономится вывод, исчезает наводка на дорожку, потребление падает до 0,45 мА.

Переключение входов по событию таймера. Регистр OPAMP_TCMR задаёт второй набор входов (VPS_SEL, VMS_SEL) и разрешает переключать наборы по сигналам TIM1, TIM8 или TIM20 (T1CM_EN, T8CM_EN, T20CM_EN). Так один ОУ обслуживает два шунта двух двигателей: в первой половине периода ШИМ усиливает ток одного, во второй — другого, и АЦП забирает оба.

Буфер ЦАП. Вход «+» на код 11 берёт канал ЦАП, и у G4 это DAC3 или DAC4 (кроме второго ОУ — у него четвёртый вывод): своих выводов у этих ЦАП нет, и повторитель выводит их наружу — в этом главный смысл. Мёртвые зоны у шин при этом меньше, чем у собственного буфера ЦАП (0,2 В, раздел 15.3), но не исчезают: выход ОУ не доходит до шин на 0,1 В (таблица 44.2), а нагрузка — не ниже ≈6,6 кОм. Для быстрых сигналов — быстрый режим HIGHSPEEDEN.

44.6 Компаратор: устройство и параметры

Компаратор — ОУ без обратной связи и с цифровым выходом: «+» выше «−» — единица, ниже — ноль. Его достоинство — время: он не преобразует, а сравнивает.

Входы задаются полями COMP_CSR:

Гистерезис — обязательная вещь для аналогового сигнала с шумом: без него выход дребезжит вблизи порога, а таймер в аварийном режиме ловит каждый дребезг. 20 мВ на входе компаратора при усилении ×16 и шунте 10 мОм — это 125 мА «мёртвой зоны» по току.

Гашение (blanking). В момент переключения силового ключа на шунте выброс — ёмкостный, не токовый. Компаратор его увидит. Гашение подаёт на компаратор импульс с канала таймера (TIM1 OC5, привязанный к моменту переключения), и на время импульса выход не меняется. Порог остаётся прежним, а ложные срабатывания исчезают.

ЦАП как порог. У G4 есть ЦАП без выводов — DAC3 и DAC4 — ровно для этого: их выход идёт только внутрь, на компараторы и ОУ. Порог защиты становится числом в регистре и меняется на ходу.

44.7 Куда идёт выход компаратора

Четыре адресата, любые одновременно:

Разница между двумя последними: аварийный вход — это защёлка, выход таймера выключен до вмешательства программы; гашение канала — это ограничитель, который срабатывает в каждом периоде и не требует обработки вовсе.

/* Ограничение тока внутри периода: COMP1 гасит канал 1 TIM1 до следующего периода. */
static void tim1_ch1_clear_by_comp1(void)
{
    TIM1->AF2   = (TIM1->AF2 & ~TIM1_AF2_OCRSEL_Msk) | (0u << TIM1_AF2_OCRSEL_Pos);  /* 0 — COMP1 */
    TIM1->SMCR &= ~TIM_SMCR_OCCS;                   /* источник гашения — внутренний, не ETR */
    TIM1->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1CE;                 /* разрешить гашение канала 1 */
}

Семь компараторов G474 делят три вектора прерываний: COMP1_2_3, COMP4_5_6, COMP7; в обработчике источник определяют по флагам линий EXTI.

44.8 🔧 Защита по току целиком внутри кристалла

Задача: ключ коммутирует нагрузку до 10 А, при 12 А ШИМ надо выключить быстрее, чем ключ успеет сгореть, а ток — измерять для регулирования.

Расчёт:

• шунт 10 мОм: при 10 А — 100 мВ, рассеивает 1 Вт (корпус 2512 или больше);
• ОУ ×16: 1,6 В при номинале; верхний предел измерения — насыщение выхода VDDA − 0,1 В, то есть 20 А;
• порог 12 А → 120 мВ → 1,92 В на компараторе; код 12-разрядного ЦАП при VDDA 3,3 В: 1,92 / 3,3 × 4095 = 2383;
• погрешности: смещение ОУ 1,5 мВ ≡ 150 мА, усиление 2 % ≡ 200 мА при 10 А; гистерезис 20 мВ ≡ 125 мА. Порог 12 А при номинале 10 А эти ошибки вмещает.

static void comp1_overcurrent(uint16_t dac_code)
{
    RCC->AHB2ENR |= RCC_AHB2ENR_DAC3EN | RCC_AHB2ENR_ADC12EN;
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SYSCFGEN | RCC_APB2ENR_TIM1EN;

    DAC3->MCR     = (DAC_MODE_INTERNAL_NOBUF << DAC_MCR_MODE1_Pos)  /* выход только внутрь */
                  | DAC_MCR_HFSEL_1;                                /* AHB 170 МГц: режим «выше 160 МГц» */
    DAC3->DHR12R1 = dac_code;                       /* порог */
    DAC3->CR     |= DAC_CR_EN1;

    COMP1->CSR = (INM_DAC_A      << COMP_CSR_INMSEL_Pos)    /* «−» — порог из DAC3_CH1 */
               | (0u             << 8)                      /* «+» — первый вывод INP */
               | (HYST_20MV      << COMP_CSR_HYST_Pos)
               | (BLANK_TIM1_OC5 << COMP_CSR_BLANKING_Pos)
               | COMP_CSR_EN;

    /* Выход компаратора — на аварийный вход TIM1: ШИМ гаснет без участия ядра. */
    TIM1->AF1  |= TIM1_AF1_BKCMP1E;
    TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_BKP | TIM_BDTR_BKE;    /* авария — единицей: компаратор выдаёт 1 при перегрузке */

    /* И на EXTI 21 — чтобы ядро узнало и записало событие. */
    EXTI->IMR1  |= EXTI_IMR1_IM21;
    EXTI->RTSR1 |= EXTI_RTSR1_RT21;
    NVIC_EnableIRQ(COMP1_2_3_IRQn);
}

/* Настройку защиты — заморозить до сброса. */
static void analog_lock(void)
{
    COMP1->CSR  |= COMP_CSR_LOCK;
    OPAMP1->CSR |= OPAMP_CSR_LOCK;
}

Полярность проверяют отдельно. После сброса BKP = 0: аварийный вход срабатывает на ноль, и выход компаратора приходит в него через эту же полярность (у каждого компаратора есть ещё свой бит инверсии BKCMPnP в AF1). А компаратор здесь в норме выдаёт ноль — без BKP = 1 авария стояла бы всё время, и ШИМ не запустился бы вовсе. Другой путь — инвертировать выход компаратора битом POLARITY или вход таймера битом BKCMP1P.

Порядок вызовов: усилитель (opamp1_pga16_to_adc), калибровка, порог и компаратор, потом LOCK. Сигнал с ОУ одновременно идёт на канал 13 ADC1 — регулятор читает ток обычным сканированием с DMA (раздел 14.6), а защита живёт отдельно и от программы не зависит.

Что здесь принципиально: между шунтом и выключенным ШИМ нет ни одной команды процессора. Компаратор — 17 нс, аварийный вход таймера — аппаратная защёлка. Прерывание нужно только для журнала.

44.9 Отличия L4 и F3

L476. Два ОУ и два компаратора, устроены проще:

• режим — поле OPAMODE (0 — внешняя обратная связь, 2 — PGA, 3 — повторитель), усиление PGA_GAIN двумя битами: ×2…×16;
• экономичный режим OPALPM — меньше ток, у́же полоса; подстройка для него хранится отдельно (регистры OTR и LPOTR);
• OPA_RANGE = 1 при VDDA ≥ 2,4 В — обязательно выставить, иначе усилитель работает не в своём диапазоне;
• тактирование — отдельный бит OPAMPEN в APB1ENR1, не SYSCFG;
• у компаратора три скорости (PWRMODE: быстрый / средний / экономичный), четыре ступени гистерезиса и оконный режим (WINMODE): «+» второго компаратора берётся от первого, два порога — и сигнал «в окне / вне окна» без участия ядра.

static void opamp1_follower_l4(void)
{
    RCC->APB1ENR1 |= RCC_APB1ENR1_OPAMPEN;
    OPAMP1->CSR = (OPAMODE_FOLLOWER << OPAMP1_CSR_OPAMODE_Pos)
                | OPAMP1_CSR_OPARANGE                /* питание 3,3 В — «высокий» диапазон */
                | OPAMP1_CSR_OPAEN;
}

F303. ОУ — прямой предок G4: та же раскладка CSR, усиление только ×2…×16. Компаратор выбирает адресата выхода сам, полем OUTSEL в своём регистре; у G4 наоборот — таймер выбирает компаратор в AF1.

44.10 HAL

Связь компаратора с таймером HAL не настраивает — это делают в инициализации таймера (BreakInputSource, OCREF_CLR) либо напрямую в AF1/AF2.

44.11 Грабли

ОУ «не работает». Не включено тактирование: у G4 и F3 — SYSCFGEN, у L4 — OPAMPEN. Или вывод не переведён в аналоговый режим.

Усилитель ×64 «сглаживает» сигнал. Полоса 13 МГц / 64 = 200 кГц. Меньше усиление, больше шунт.

Показания уходят с нагревом. Заводская подстройка сделана при 25 °C, дрейф 10 мкВ/°C. Калибровать при рабочей температуре и повторять.

Выход «упирается» в 3,2 В. Насыщение за 100 мВ до шины: верх шкалы — VDDA − 0,1 В, планировать усиление под него.

ОУ нагружен на 1 кОм — напряжение просело. Нагрузочная способность 500 мкА: минимум ≈6,6 кОм, в PGA ≈12 кОм.

Первое измерение после включения — мусор. Пробуждение 3 мкс; ОУ включают заранее, не перед выборкой АЦП.

Компаратор дребезжит. Нет гистерезиса, либо шум больше него. Ставить HYST, при ШИМ-выбросах — гашение от таймера.

Порог от VREFINT «плавает» первые миллисекунды. Делитель опоры запускается до 200 мкс — включать SCALEN/BRGEN заранее и ждать.

Компаратор срабатывает, ШИМ не гаснет. Выход не привязан к таймеру: у G4 — бит BKCMPnE в AF1 и BKE в BDTR; у F3 — OUTSEL в самом компараторе.

ШИМ не запускается: авария сразу после включения. Полярность аварийного входа после сброса — ноль (BKP = 0), а компаратор в норме выдаёт ноль. Ставить BKP = 1 или инвертировать выход компаратора.

Настройка защиты изменилась сама. Нет LOCK; после него — только сброс.

Порог ЦАП на 170 МГц ведёт себя непредсказуемо. Не выставлен HFSEL в DAC_MCR: при частоте AHB выше 80 МГц он обязателен (01 — выше 80, 10 — выше 160 МГц) и даёт переносу кода в выход ЦАП лишние такты шины. HAL ставит его сам по частоте шины, код на регистрах — только если не забыть.

После Stop компаратор не будит. Не размаскирована линия EXTI компаратора (у G4 — 21…33), или не выбран фронт.

L4: усилитель работает странно. OPA_RANGE не соответствует VDDA.

44.12 Итоги

• Встроенные ОУ и компараторы есть у F3, L4, G4; у F1 и F4 — нет, там внешний ОУ и аналоговый сторож АЦП.
• ОУ: rail-to-rail, 13 МГц, ×2…×64 на внутреннем делителе, смещение ±1,5 мВ после калибровки; ошибка задаётся смещением, а не усилением.
• Четыре включения — четыре кода мультиплексоров: повторитель, PGA, инвертирующий, выход внутрь на АЦП.
• Калибровка — два кода по 5 бит, подбираются по биту OUTCAL; повторять при смене температуры.
• Компаратор: 17 нс, гистерезис до 70 мВ, порог от долей VREFINT, ЦАП без выводов или вывода; гашение отсекает выбросы ключа.
• Выход компаратора — на вывод, в EXTI (в том числе будить из Stop), в аварийный вход таймера и в гашение канала.
• Защита по току собирается без единого внешнего резистора, кроме шунта, и не зависит от программы; LOCK защищает её от самой программы.

Дальше: раздел 45 «Сенсорный ввод: TSC» — ёмкостные кнопки и слайдеры без механики.