HT8 MCU內OPA之特性&原理說明應用須知

AN0521T V1.00 1 / 11 June 19, 2019

HT8 MCU 內 OPA 之特性&原理說明應用須知

文件編碼：AN0521T

簡介

本次主要介紹下列四種內建OPA運算放大器電路的MCU，具代表性MCU分別有HT66F45x0、

HT45F56、HT45F5Q-2、HT66FM(5230、5240、5242、5440)系列。

HT66F45x0 該運算放大器具有多個開關和輸入路徑選擇，多種參考電壓的選擇，多種內部軟

體增益控制，去抖時間控制、遲滯、輸入失調電壓校準功能和四段頻寬(5kHz、40kHz、600kHz、

2MHz)功能選擇，可利用軟體控制，讓使用者可以依據應用所需的反應速度，去調整運算放

大器的頻寬，其功耗也會依頻寬選擇而改善，這些功能增強了該電路的靈活性使其可以廣

泛的應用於各種應用中，如：煙感器等相關產品。

HT45F56 MCU 內部含震動檢測功能。為了能夠檢測外部的微小類比信號，其內集成一個

1~1000 倍的 PGA、一個 CMP，一個可內部設定臨界電壓的 6-Bit DAC，透過內置暫存器可

切換輸入比較路徑多工器。外置電路可搭配各式各樣的傳感器，如：壓電式震動傳感器、

磁感應式震動傳感器等。

HT45F5Q-2 MCU 內部含充電管理模組，分為兩部份，第一部份為二組 OPA 與 DAC，用於

控制充電電壓及電流，充電器的恆壓模式(CV，Constant Voltage)與恆流模式(CC，Constant

Current)上限值可由軟體設置 DAC 達成，而 CV 控制採用其中的 12-Bit DAC，CC 控制則採用

8-Bit DAC。第二部份為一組固定放大倍數 OPA，用於電流訊號放大後，可達到提升電流分

辨率，並降低檢測電阻功率的功效。

HT66FM 系列 MCU 包含一個完全集成的相位電流檢測電路，可應用於馬達保護驅動電路。

此外說明其他常用運算放大器功能之應用與特性參數說明，如：同相放大器、反相放大器

和電壓隨耦器、加法器、減法器等等一些常用運放電路。OPA 比較重要的兩個理論，虛短

和虛斷。虛短：從電壓來看，兩輸入端短路，即等電位概念；虛斷：輸入阻抗無窮大，相

當於斷路，即流入正負輸入端的電流為零。

OPA 基本觀念說明

訊號放大最基本的訊號處理功能。每當傳感器所提供的訊號非常微弱，例如：在微伏特或是

毫伏特範圍且能量低，此時就需要提供訊號放大。因為訊號微弱時，MCU 訊號處理的可靠度

就差；若訊號振幅提昇的話，則訊號處理就容易多了。在訊號放大時，對於線性度的探討是

絕對必要的。因為在訊號放大過程中，須注意到 OPA 本身特性問題避免放大訊號造成失真，

這顯然是使用者不願見到的現象。

HT8 MCU內OPA之特性&原理說明應用須知

AN0521T V1.00 2 / 11 June 19, 2019

功能說明

HT66F45x0 OPA 應用說明

HT66F45x0 內部 OPA 結構如下圖，該系列 MCU 包含一個 12-Bit ADC，兩顆 OPA 都具有軟體

調整輸入失調電壓之功能和三個 8-Bit DAC，且兩顆 OPA 可由內部軟體設置成單位增益緩衝

器(Unity-Gain Buffer)的功能(如圖 1、2 所示)，OPA 輸入失調電壓調整範圍可依使用者應用需

求設置，請參考 Datasheet(OPA 特性表中 VOS參數)，再進行調整內部的失調電壓，一般應用會

接近 0V。

基本 OPA 應用

OPA0：可以用於電流信號轉換或放大，例如：煙感器的紅外線信號檢測或電磁爐的電流偵測

等。

OPA1：是一個可編程增益放大器 PGA，正端輸入可透過內部 8-Bit DAC 控制 DC Bias 或由外

部分壓電阻提供 DC Bias 電壓，也可選擇第一級 OPA0 放大後的輸出訊號(OPA0O)由內部軟體

控制選擇 OPA1 的(正/負)輸入端，再透過內部開關電路設定成第二級的同相或反相放大，而

OPA1 的(正/負)輸入端也可利用外部電路接成同相或反相放大電路，其 OPA1 的負輸入端可由

內部軟體控制 Gain(如下 Example)，或外部電阻比值做 Gain 調適，且兩顆 OPA 的輸出皆可從

軟體控制通道輸入 A/D 進行轉換，即可達到廣泛的應用(詳細整合應用請參考 HT66F45x0 工作

原理)。

A0NI

A0PI

A1PI

A1NI

OPA0-

+A0O

R2

OPA0O

SDDAC0O

OPA1+

-A1O

8BitDAC0

OPA0O

SDDAC0O

OPA1O

(To A/D Converter)

(To A/D Converter)

SDA0OFMSDA0O

SDA1OFMSDA1O

HT66F45x0 內部 OPA 結構

A0NI

A0PI OPA0

-

+A0O

R2

8BitDAC0

OPA0O

SDDAC0O (To A/D Converter)

SDA0OFMSDA0O

圖 1、OPA0 設置成電壓隨耦器

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A1PI

A1NI

OPA0O

SDDAC0O

OPA1+

-A1O

OPA1O (To A/D Converter)

SDA1OFMSDA1O

圖 2、OPA1 設置成電壓隨耦器

Example：OPA1 當反相/同相放大器使用，並使用內部 Gain 來放大輸入訊號。

OPAMP1-

+

SDA1EN

SDS4

A0O

SDS3

SDS5

SDS6A1PI

SDS2

R1 R2A1NI

SDDAC0O

SDS7

SDPGA[2:0]

A1O

SDA1BW[1:0]

電路接法：

反相放大器 同相放大器

A1NI 接到 VIN；A1PI 接到 GND； A1NI 接到 GND；A1PI 接到 VIN；

OPA-

+VO

VIN

R1

R2

VO = −R2

R1VIN

OPA-

+VIN

VO

R1

R2

VO = (1 +R2

R1)VIN

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AN0521T V1.00 4 / 11 June 19, 2019

HT45F56 OPA 應用說明

HT45F56 內部結構如下圖，內建 PGA(x1~ 1000)用來放大較小的類比輸入信號(震動感知傳感器)，

配合內建 CMP 及 6-Bit R-2R DAC (DAC0)，可組成完整的震動信號放大及比較電路(詳細整合

應用請參考 HT45F56 工作原理說明)。

DAC0

MUX

SENSORAnalog Inputs

Analog InputsAN1 / NA2

+

-CMP

MCU I/O

Gain:1~1000倍 15級的可程式設定放大倍率

6 bis

-+

PGA

HT45F5Q-2 OPA 應用說明

HT45F5Q-2 MCU 內建三組 OPA 結構詳細如下圖：

OPA0 與 DAC0 8-Bit DAC 組合成電流誤差放大器，做為充電器恆流(CC)控制

OPA1 與 DAC1 12-Bit DAC 組合成電壓誤差放大器，做為充電器恆壓(CV)控制

詳細恆流(CC)、恆壓(CV)操作，請參考 HT45F5Q-2 工作原理說明

OPA2 為 x10 倍同相放大器，用於電流訊號放大，可提升電流分辨率 (可降低電流檢測電

阻值)

OPA0E

DAC0EN

+-

OPA0N

D[7:0]

10KOPA0P

OPA0

AVDD

OPA1E

DAC1EN

+-

OPA1N

D[11:0]

10KOPA1P

AVDD

OPA1

OPA2-+OPA2P

10xA2P

R

9R

SAOPIN OP2EN

OOFMOPO

OOF[5:0]

OOFM

12-bit DAC1Ro=13K

8-bit DAC0Ro=10K

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HT66FM 系列 OPA 應用說明 (HT66FM5230、5240、5242、5440)

MCU內部有過流檢測模組，包含一個放大器OPA0(Av約 1 / 5 /10 / 20倍)，12-Bit ADC、8-Bit DAC

和 CMP0 所組成。應用目的：如檢測到過流情況，應實時關閉馬達外部驅動電路，以避免馬

達被燒毀。

兩種中斷用來檢測過流情況：

1. ADC 中斷 - Int_AHL_Lim：

Int_AHL_Lim 這個中斷較彈性化，可由軟體 ADR 值與 ADLVD/ADHVD 中斷觸發條件的選

擇，經比較後範圍可作緩衝保護動作。

2. CMP0 中斷 - Int_Is：

Int_Is 可用於硬體上的急時觸發中斷保護，即可馬上關閉馬達外部驅動電路。

+

-

OPCM

Int_Is AP

OPA0 : Av=1/5/10/20

8-bitDAC

OPA0CMP0

Int_AD_EOC or int_AD_ISEOC

Int_AHL_ Lim

ADC

ADR

EOCB or ISEOCB

AD HL/LVTrigger

IntTrigger

ADLVD/ADHVD

OPA0 Output

PB0/OPA0O

PB0S[2:0]12-bit ADC

C0BPEComparator 0

Int A/D

Int_Is

工作原理

HT66F45x0 工作原理說明

HT66F45x0 是一顆可應用於煙感檢測 MCU，透過外部電阻分壓提供 OPA0 正輸入外部 DC Bias

電壓，當 IR 接收信號後，其電流電壓轉換由 R12 電阻決定，轉換後的訊號經由交流耦合電容，

再經由輸入第二級 OPA1 同相放大電路，而第二級 OPA1 可設置輸入 OFFSET 及 Gain 倍率調

整比值可由 R14 電阻決定，經過第二級放大 OPA1 輸出放大信號至內部 A/D 轉換訊號，並讀

取類比信號觸發中斷做訊號處理，即可達到煙感檢測功能應用。

HT66F45X0 煙感檢測器

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AN0521T V1.00 6 / 11 June 19, 2019

HT45F56 工作原理說明

HT45F56 是一顆震動檢測功能的 MCU。為了能夠檢測外部的微小類比信號，透過一個 1~1000

倍的 15 級 PGA，再經由一個 CMP 與內部 6-Bit DAC 閥值做比較，其中震動靈敏度的大小可由

內部 PGA 的 Gain 及 6-Bit DAC 進行調整，最後透過 CMP 輸出的數位信號可直接觸發中斷，

或判斷脈衝數、脈衝寬度做震動訊號大小的處理，且可由傳感器一端串接一顆電阻，以防止

電壓過大，即可達到傳感器應用功能。外置電路可搭配各式各樣的傳感器，如：壓電式震動

傳感器、磁感應式震動傳感器等。

0.1µF

S N

Magnet Sensor

AD1

AD2

+

−

CMPEN

CMPOP Debounce Circuit

DebounceInterrupt

CMPHY[1:0]

Pin-shared select

MUX

6-bitD/ADA[5:0]

CNSEL[1:0]

MUX

CPSEL[1:0]

SENOPA

GAS[3:0]

OPAEN

DSTAG[2:0]ComparatorInterrupt

HT45F56 傳感器模組

HT45F5Q-2 工作原理說明

HT45F5Q-2 內置電池充電管理模組，內含三組 OPA(OPA0~2)、一組 8-Bit DAC(DAC0)及一組

12-Bit DAC(DAC1)，其中漏極開路(Open Drain) OPA0~1 和 DAC0~1 用於 CV 與 CC 信號控制，

OPA 輸出可直推光耦合器，使一次測 PWM IC 能進行輸出功率調整(如下圖)。而內置的 10 倍

信號放大 OPA(OPA2)用於放大充電電流信號，提升電流分辨率並降低檢測電阻功率。以下依

序說明 CV 模式、CC 模式和 10 倍信號放大 OPA 用途。

HT45F5Q-2 電池充電模組

Note：1. OPA0 和 OPA1 無輸入失調校準功能(硬體限制)。

2. OPA2 具有輸入失調校準功能(精準度 ±2 mV)。

3. OPA0 和 OPA1 為開漏輸出類型。

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AN0521T V1.00 7 / 11 June 19, 2019

恆流模式(CC)

恆流充電代表無論電池內阻如何變化，皆以固定電流充電。其原理為充電電流經檢測電阻 R1

產生電壓(V=I×R)，由 OPA0N 傳至 OPA0 負端。通過 OPA0 輸出 OPAE(NMOS)把 OPA0N 和 DAC

誤差放大，並經由光耦合器傳送到 PWM IC。若 OPA0N 電壓低於 DAC(DA0)電壓則 PWM IC

增加 PWM 佔空比，反之則減少 PWM 佔空比。

Note：DAC0 (8-Bit DAC) (DA0)即為設置最大電流閥值。

恆壓模式(CV)

恆壓充電是無論電池內阻如何變化，皆以固定電壓充電。其原理為充電電壓(B+)經由電阻分

壓 R4 和 R5 分壓，由 OPA1N 傳至 OPA1 負端。通過 OPA1 輸出 OPAE(NOMS)把 OPA1N 和 DAC

誤差放大，並經由光耦合器傳送到 PWM IC。若 OPA1N 電壓低於 DAC 電壓則 PWM IC 增加

PWM 佔空比，反之則減少 PWM 佔空比。

Note：DAC1 (12-Bit DAC) (DA1H 和 DA1L)即為設置最大電壓閥值。

HT66FM 系列工作原理說明 (HT66FM5230、5240、5242、5440)

HT66FM 系列 MCU 的過電流檢測電路，包含內建 OPA0 放大電路(Av 約 1 / 5 /10 / 20 倍)，可以

由 PB0S 選擇是否透過 PIN-sharing 配置輸出，並通過高速(2μs)的 12-Bit ADC、8-Bit DAC 與

CMP 電路，以監控馬達驅動過程中有無過電流的情形發生。若有，即時關閉外部的門驅動電

路，以避免馬達被燒毀。

HT66FM5440 無刷馬達控制驅動電路

過流保護(OCP)

馬達運轉電流採樣是通過電流採樣電阻來取得，當電流流過 R_Shunt 會產生一個微小的電壓

信號，需要經由 OCP 電路中的 OPA 放大後，再通過 ADC 讀值或 DAC 搭配 CMP 判斷是否

達到過電流，以達到過電流保護的功能。

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特性參數說明

理想的 OPA 特性

一個理想的運算放大器(ideal OP-AMP)應具備下列特徵：

● 無限大的輸入阻抗(ZIN=∞)：理想的運算放大器的輸入端不容許任何電流流入，亦即輸

入阻抗無限大。

● 趨近於零的輸出阻抗(ZOUT=0)：理想的運算放大器的輸出端是一個完美的電壓源，無論

流至放大器負載的電流如何變化，放大器的輸出電壓恒為一定值，亦即輸出阻抗為零。

● 無限大的開環增益(Ad=∞)：理想的運算放大器的一個重要性質就是在開環的狀態下，

對輸入端的差動信號有無限大的電壓增益，這個特性使得運算放大器十分適合在實際應

用時加上負反饋組態。

● 無限大的共模抑制比(CMRR=∞)：理想的運算放大器只能對正/負輸入端電壓的差值有反

應，對於兩輸入端信號的相同部分（即共模信號）將完全忽略不計。

● 電源電壓抑制比(PSRR=∞)：指OPA在其直流電源電壓變化時，保持其輸出電壓的能力。

● 無限大的帶寬(BW=∞)：理想的運算放大器對於任何頻率的輸入信號都將以一樣的差動

增益放大之，不因為信號頻率的改變而改變。

● 失調為零(OFFSET=0)：即輸入為零時輸出也為零。

OPA–D.C.特性說明

OPA 標準規格有好幾種，故具體的 OPA 的行為請以相對應的規格書內容為準。詳細特性參

數說明如下：

OPA 特性 特性功能說明

VDD

OPA 工作電壓範圍：表示在工作電壓範圍內可以保證 OPA 均符合如下特性。若此電

壓範圍與 MCU 電壓範圍不一致(例如：MCU 工作電壓範圍為 2.2V~5.5V)，則請注意驗

證電壓與使用電壓。

IQ OPA 靜態耗電(IOUT=0)，指定為空載條件下的電流

IOPA OPA 工作時的耗電：IOPA = OPA on 時 MCU 的耗電–OPA off 時 MCU 的耗電

VOS

輸入失調電壓(VOS)定義：為了使運放的輸出電壓等於 0，必需在運放兩個輸入端加一

個小的電壓，這個需要加的小電壓即為輸入失調電壓 VOS(VOS只和輸入端的架構有關，

主要來源於運放差分輸入級兩個線徑的不匹配，VOS越小，則 OPA 正輸入端及負輸入

端的架構匹配度越高)受 layout and 製程的限制，這個不匹配是不可避免的(OPA 兩端線

徑的匹配度在一定範圍內是與線徑的面積的平方根成正比，也就是說匹配度提高為原

來的兩倍。面積要增加四倍)。

VOS = 負輸入端電壓–正輸入端電壓 (理想為零)

IOS 輸入失調電流(IOS)定義：當運放的輸出直流電壓為零時，其兩輸入端偏置電流的差值

即為 IOS。

VCM

共模輸入範圍(VCM)定義：

VCM = �(VIN+)+(VIN−)2

� (越小越好)

當運放工作於線性區時，在運放的共模抑制比特性顯著變差時的共模輸入電壓(一般

指 CMRR 變小到一定值，如 60dB)

CMRR(dB) = 20log �Gain×VCMVOUT

�

式中的 Gain 是放大器的差模增益，VCM是輸入端存在的共模電壓，VOUT是輸入共模電

壓在輸出端的結果。

VOR

OPA 的最大輸出範圍(VOR)定義：在指定的負載下，運放在當前電源電壓供電時，運放

能夠輸出的最大電壓幅度(VOR求的是輸出端 MOS 管能輸出的最大和最小電壓，結果

應會十分接近電源)

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OPA–A.C.特性說明

OPA 特性 特性功能說明

AOL

差模開迴路直流電壓增益(AOL)：定義為當運放工作於線性區時，運放輸出電壓與差

模電壓輸入電壓的比值(開環：不具負反饋情況下(開環路狀況下)，運算放大器的放

大倍數稱為開環增益) (AOL=20log(△VOUT÷△VOS))

SR 轉換速率(也稱為壓擺率)定義：運放接成閉迴路條件下，當輸入運放一個大信號(含

階躍信號)時，從運放的輸出端測得運放的輸出上升速率。

GBW

為增益帶寬積定義：運放的閉迴路增益為 1 倍條件下，將一個橫幅正弦小信號輸入

到運放的輸入端，從運放的輸出端測得閉迴路電壓增益下降 3dB(或是相當於運放輸

入信號的 0.707)所對應的信號頻率。

OPAMP 特性說明

OPA 特性 特性功能說明

PSRR

電源電壓抑制比(PSRR)定義：當運放工作於線性區時，運放輸入失調電壓隨電源電

壓的變化比值 (PSRR=20log(△VOS÷△VDD))

PSRR：對於電源的抗雜訊能力值(值越大越好)，輸出信號受到電源的影響越小，代

表噪音/波紋越低(這個等式的計算結果一般是零)。

例如：一個放大器 PSRR=100dB，應用在一個閉迴路增益=40dB 的路線時，整體線

路的 PSRR 就是：100dB - 40dB =60dB

如此，即當電源有 1V 的雜訊時，輸出的雜訊就是：1V × 10−60 20� = 0.001V = 1mV

CMRR 共模抑制比(CMRR)定義：當運放工作於線性區時，運放差模增益與共模增益的比值

(CMRR＝20log(△VIN÷△VOS))

RO

輸出阻抗(RO)定義：ROUT = RO (1 +⁄ Ao/β)，RO 是由運放內部輸出級決定的，不隨

閉迴路增益的變化而變化。可以理解成運放固有的一個參數。

ROUT 則不同，它是運放構成閉迴路放大器電路後，從輸出端看進去的阻抗，需要在

輸出端進行測量才能得到。當然它會隨著閉迴路增益變化而變化。

OPA 的基本電路

通過外接不同的電阻及電容可組成多種的放大電路，下圖介紹幾種放大電路與公式：

反相放大器 同相放大器

OPA-

+VO

VIN

R1

R2

VO = −R2

R1VIN

OPA-

+VIN

VO

R1

R2

VO = (1 +R2

R1)VIN

加法器 減法器

-

+OPA

RFR1

R2

R3

RN

VA

VB

VC

VN

Vo

VO = (−RF)[VAR1

+VBR2

+VCR3

+VNRN

]

-

+OPA

R2

R1

R2

VA

VB

R1

VO

VO = (VB−VA)[R2

R1]

HT8 MCU內OPA之特性&原理說明應用須知

AN0521T V1.00 10 / 11 June 19, 2019

電壓隨耦器 低通濾波器/積分器

OPA-

+VIN

VO

VO = VIN

-

+OPA

RF

VIN

R1

VO

C

T = RC = RFC

VO = VIN �−RF

R1×

1RFCS + 1

�

高通濾波器/微分器

-

+OPA

RF

VIN

R1

VO

C

VO = VIN �−RF

RIN×

RINCSRINCS + 1

�

運放使用前注意事項

1. 注意放大的是直流信號還是交流信號。

2. 注意是同相放大還是反相放大。

3. 需要注意輸入信號最大值乘於放大倍數是否超出 OPA 的電源電壓，因為通常負載存在，

OPA 輸出不能達到電源電壓，如下所示。

OPA 輸入電壓範圍

為了操作的靈活性，在不同的 PGA 工作模式下，輸入電壓可以為正或者為負。

輸入電壓 VIN > 0 時，設定 PGA 工作在同相模式下，OPA 輸出VOUT = �1 + R2R1� × VIN。

輸入電壓 VIN < 0 時，設定 PGA 工作在反相模式下，OPA 輸出VOUT = −�R2R1� × VIN。

Note：注意，若輸入電壓為負，其值不要小於-0.2V，以免產生電流洩漏，影響 OPA 正常性能。

應用範圍

1. HT66F45x0 應用於煙感器、手持式測量工具、環境監控、語音可用於音頻、OCP、OVP

等方面應用。

2. HT45F56 可應用於小信號放大，如：壓電式震動傳感器、磁感應式震動傳感器等等。

3. HT45F5Q-2 應用於多種充電系統。

HT8 MCU內OPA之特性&原理說明應用須知

AN0521T V1.00 11 / 11 June 19, 2019

4. HT66FM(5230、5240、5242、5440)系列擁有相位電流檢測模組用於馬達保護功能。

結論

本文通過對四種 MCU 內建 OPA 功能的應用介紹，使用者能清楚地瞭解內建 OPA 功能實現

與應用，此篇應用範例也適用於其它具有類似內建 OPA 功能的 MCU。

參考資料

參考文件 HT66F45x0、HT45F56、HT45F5Q-2、HT66FM(5230、5240、5242、5440)系列 DataSheet。

如需進一步瞭解，敬請瀏覽 Holtek 官方網站 www.holtek.com。

版本及修改資訊

Date 日期 Author 作者 Issue 發行、修訂說明

2019.01.29 蔡俊男 第一版

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