OTA基本應用電路(共9頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上跨阻放大器即為跨導運算放大器（Operational Transimpedance Amplifier），簡稱為OTA?？鐚Х糯笃鞯妮斎胄盘柺请妷?，輸出信號是電流，增益為跨導?？鐚Х糯笃魇菍㈦妷狠斎胄盘柗糯?，提供電流輸出信號，是將一種線性電壓控制的電流源?？鐚Х糯笃鞯脑鲆媸禽敵鲭娏髋c輸入電壓的比值，量綱為電導，單位為西門子（S）。由于決定增益的輸出電流和輸入電壓不是在同一個節(jié)點測量的，而是分別在輸出端和輸入端測量的，因此稱其增益為跨導，而稱這種放大器為跨導型放大器。理想跨導放大器的條件是輸入和輸出都為無窮大?，F(xiàn)在已經(jīng)有跨導放大器的產(chǎn)品，例如CA3080和LM13600

2、等等。由于跨導放大器內(nèi)部只有電壓電流變換級和電流傳輸級，沒有電壓增益級，因此沒有大擺幅電壓信號和米勒電容倍增效應，高頻性能好。大信號下的轉(zhuǎn)換速率也高，同時電路結構簡單，電源電壓和功耗都比較低。這些性能特點表明，在跨導放大器的電路中，電流模式部分起關鍵作用?？鐚н\算放大器分為雙極型和MOS型兩種，相對于雙極型跨導運算放大器而言，CMOS跨導運算放大器的增益值較低，增益可調(diào)范圍小，但是它的輸入阻抗高，功耗低，容易與其他電路結合實現(xiàn)全CMOS集成系統(tǒng)?？鐚н\算放大器的應用具有很大的靈活性，即可以通過改變偏置電流達到控制跨導的目的，控制方法簡單可靠，易于實現(xiàn)編程控制。其主要用途可以分為兩方面。一方面應

3、用于各種線性和非線性模擬電路系統(tǒng)中進行信號運算和處理，如連續(xù)時間模擬濾波器設計；另一方面在電壓信號變量和電流模擬信號處理系統(tǒng)之間作為接口電路，將待處理的電壓信號變?yōu)殡娏餍盘?，然后送入電流模式電路系統(tǒng)進行處理。41 OTA的基本概念OTA是跨導運算放大器的簡稱，他是一種雙極型集成工藝制作的通用標準部件，OTA的符號如圖4.1所示，他是有兩個輸入端，一個輸出端，一個控制端。符號上的“+”號表示同相輸入端，“-”表示反相輸入端，是輸出電流，是偏置電流，即外部控制電流。圖4.2為平衡輸出OTA的符號。OTA的傳輸特性用下列方程式描述： （4.1）式（4.1）中，是輸出電流（A）；是差模輸入電壓（V）；

4、G是開環(huán)增益（S），稱為跨導增益。在小信號下，跨導增益G是偏置電流的線性函數(shù)，其關系式為： （4.2） （4.3）稱為跨導增益因子，是熱電壓，在室溫條件下（T=300K）下，可以計算出，因此有： （4.4）式中的量綱用安倍（A）表示，G的量綱為西門子（S）。根據(jù)式（4.1）的傳輸特性方程式，可畫出OTA的小信號理想模型如圖4.3、圖4.4所示。對于這個理想模型，兩個電壓輸入之間開路，差分輸入電阻為無窮大；輸出端是一個受差模輸入電壓控制的電流源，輸出電阻為無窮大。同時，理想跨導放大器的共模輸入電阻、共模抑制比、頻帶寬帶等參數(shù)均為無窮大，輸入失調(diào)電壓，輸入失調(diào)電流等參數(shù)均為零。42 CMOS跨導運

5、算放大器CMOS跨導放大器的電路結構與雙極型OTA相似，一般也由跨導輸入級和電流鏡組成，而且用源極耦合差動放大器作為跨導輸入級的基本電路，具有很高的共模抑制比和很小的漂移。圖4.5所示電路為基本的CMOS跨導運算放大器電路，該電路由10個MOS晶體管組成。其中T1、T2組成基本源耦差分對作為OTA的輸入級，完成電壓-電流變換；T3、T4組成傳輸比為1的基本電流鏡，將外加偏置電流輸送到差動輸入級作為尾電流，并控制其增益值：T5與T6、T7與T8、T9與T10分別組成三個基本電流鏡，對輸入級的差動輸出電流移位和導和，以便提供推挽式單端輸出電流。圖4.5 基本CMOS跨導運算放大器電路三個電流鏡的電

6、流傳輸比假設為，且滿足，則當電流鏡中的晶體管工作在飽和狀態(tài)時，電流傳輸比可視為常數(shù)，此時圖4.5所示電路的輸出電流為： （4.5）(4.5)式中，是差動式跨導輸入級的增益，是跨導運算放大器的增益。此時跨導運算放大器的傳輸特性將由跨導輸入級的傳輸特性來決定。對源耦差分輸入級的分析可得： （4.6）令：且和,其中是T1、T2靜態(tài)柵-源電壓與開啟電壓之差，則可得到基本型CMOS跨導運算放大器的歸一化傳輸特性表達式為： （4.7） 顯然，當時，對應于,式（4.7）成立；當時，T1、T2中已有一管處于截止狀態(tài)，不能進行正常放大。（4.7）式為非線性函數(shù)，X值越大，對應值越大，式中根號內(nèi)由平方項引起的非線

7、性失真越嚴重。表4.1 式（4.7）函數(shù)的非線性誤差值表4.1給出了當X取值不同時，式（4.7）非線性函數(shù)與理想線性函數(shù)之間的相對誤差值。分析結果表明，為使實際傳輸特性與理想直線（）之間的相對誤差小于1.0，必須小于0.28，對于一般的K和取值，的允許范圍約為數(shù)十毫伏至數(shù)百毫伏。在保持一定線性度要求的條件下，為了增大差模電壓信號輸入的允許范圍，必須設法增大值，其方法是增大、減小K或兩種放大兼用。通過以上分析，可以得到基本源耦差分對CMOS跨導放大器主要性能特點有：源耦差分對固有的對稱性使它具有較小的失調(diào)和漂移；能夠提供良好的高頻特性和低噪聲特性；但是動態(tài)范圍是受到限制的。為了使傳輸特性非線性誤

8、差小于1.0，要限制在一下范圍： (4.8)增大或減小K可以改善線性，但會引起功耗增加，效率降低，并損失共模抑制能力。由于上面介紹的是基本的CMOS跨導運算放大器，因此我們可以根據(jù)實際應用進行改進。幾種比較常用的改進CMOS跨導運算放大器分別為：帶源極反饋電阻的跨導運算放大器、帶輔助源耦對的跨導運算放大器、交叉耦合差動式跨導運算放大器、帶補償電流源的跨導運算放大器和CMOS對管交叉耦合跨導運算放大器。42 跨導運算放大器的基本應用電路421 放大器放大器在模擬電路中占特別重要的地位，因為，一方面，在實際生活中有許多微弱信號需要放大，如衛(wèi)星發(fā)來的圖像信號；另一方面，放大器又是濾波器，振蕩器等各種

9、模擬電路的關鍵組成部分。廣義來講，放大器可分為電壓放大器、電流放大器、跨導放大器和跨阻放大器四種，它們分別與電壓控制電壓源（VCVS）、電流控制電壓源（CCCS）、電壓控制電流源（VCCS）和電流控制電壓源（CCVS）相對，故用OTA同樣可以構成四種放大器。圖4.5、圖4.6給出了增益可控電壓反相放大器和增益可控電壓同相放大器兩種放大器電路。對于圖4.5所示的反相放大器，輸出電壓和電壓增益分別： （4.5） （4.6）對于圖4.6所示的同相放大器，輸出電壓和電壓增益分別為： （4.7） （4.8）上列式子表明，電壓增益與G值成正比。對雙極型OTA,G與偏置電流成正比，因此，電壓增益可經(jīng)外偏置電

10、流作線性調(diào)節(jié)。由于式（4.6）和式（4.8）僅“+”、“-”號不同，電壓增益的絕對值相等。若將兩個輸入信號電壓分別作用于OTA的同相及反相輸入端，則可方便實現(xiàn)差動式放大器。理想條件下，基本放大器的輸出電阻為，帶寬BW為無窮大。422 加法器加法器又叫求和電路，將多個OTA的輸出端并聯(lián)，使它們的輸出電流相加并在一個負載電阻上形成輸出電壓，便可構成對多個電壓輸入信號做加法運算的電路。在圖4.7所示電路中，用無源電阻R做負載，輸出電壓為： （4.9）若滿足,則輸出電壓為： （4.10）在圖4.8所示電路中，用OTA接地模擬電阻作負載，輸出電壓為： （4.11）若滿足，則輸出電壓為： （4.12）42

11、3 積分器積分電路在波形發(fā)生器、波形變換、延時、濾波器的綜合等方面應用很廣。4231 電壓積分器在OTA的輸出端并聯(lián)一個電容作負載，輸出電壓是輸入電壓的積分值，構成理想積分器。選用不同的輸入方式，可使積分器的輸出與輸入之間成同相、反相和差動關系。其電路分別如圖4.9（a）、4.9（b）、4.9（c）所示。圖 4.9 電壓積分器對于圖4.9（a）、4.9（b）、4.9（c）三個電路，他們的電壓傳輸函數(shù)分別為： （4.13） （4.14） （4.15）4232 電流積分器將輸出端的負載電容改接到OTA的輸入端，則可構成電流模式積分器，如圖4.10（a）、4.10（b）、4.10（c）所示，他們輸入