OTA基本應(yīng)用電路(共9頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上跨阻放大器即為跨導(dǎo)運(yùn)算放大器（Operational Transimpedance Amplifier），簡(jiǎn)稱(chēng)為OTA?？鐚?dǎo)放大器的輸入信號(hào)是電壓，輸出信號(hào)是電流，增益為跨導(dǎo)。跨導(dǎo)放大器是將電壓輸入信號(hào)放大，提供電流輸出信號(hào)，是將一種線(xiàn)性電壓控制的電流源?？鐚?dǎo)放大器的增益是輸出電流與輸入電壓的比值，量綱為電導(dǎo)，單位為西門(mén)子（S）。由于決定增益的輸出電流和輸入電壓不是在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)測(cè)量的，而是分別在輸出端和輸入端測(cè)量的，因此稱(chēng)其增益為跨導(dǎo)，而稱(chēng)這種放大器為跨導(dǎo)型放大器。理想跨導(dǎo)放大器的條件是輸入和輸出都為無(wú)窮大?，F(xiàn)在已經(jīng)有跨導(dǎo)放大器的產(chǎn)品，例如CA3080和LM13600

2、等等。由于跨導(dǎo)放大器內(nèi)部只有電壓電流變換級(jí)和電流傳輸級(jí)，沒(méi)有電壓增益級(jí)，因此沒(méi)有大擺幅電壓信號(hào)和米勒電容倍增效應(yīng)，高頻性能好。大信號(hào)下的轉(zhuǎn)換速率也高，同時(shí)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電源電壓和功耗都比較低。這些性能特點(diǎn)表明，在跨導(dǎo)放大器的電路中，電流模式部分起關(guān)鍵作用?？鐚?dǎo)運(yùn)算放大器分為雙極型和MOS型兩種，相對(duì)于雙極型跨導(dǎo)運(yùn)算放大器而言，CMOS跨導(dǎo)運(yùn)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(jié)合實(shí)現(xiàn)全CMOS集成系統(tǒng)?？鐚?dǎo)運(yùn)算放大器的應(yīng)用具有很大的靈活性，即可以通過(guò)改變偏置電流達(dá)到控制跨導(dǎo)的目的，控制方法簡(jiǎn)單可靠，易于實(shí)現(xiàn)編程控制。其主要用途可以分為兩方面。一方面應(yīng)

3、用于各種線(xiàn)性和非線(xiàn)性模擬電路系統(tǒng)中進(jìn)行信號(hào)運(yùn)算和處理，如連續(xù)時(shí)間模擬濾波器設(shè)計(jì)；另一方面在電壓信號(hào)變量和電流模擬信號(hào)處理系統(tǒng)之間作為接口電路，將待處理的電壓信號(hào)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，然后送入電流模式電路系統(tǒng)進(jìn)行處理。41 OTA的基本概念OTA是跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)稱(chēng)，他是一種雙極型集成工藝制作的通用標(biāo)準(zhǔn)部件，OTA的符號(hào)如圖4.1所示，他是有兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端，一個(gè)控制端。符號(hào)上的“+”號(hào)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(hào)。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(kāi)環(huán)增益（S），稱(chēng)為跨導(dǎo)增益。在小信號(hào)下，跨導(dǎo)增益G是偏置電流的線(xiàn)性函數(shù)，其關(guān)系式為： （4.2） （4.3）稱(chēng)為跨導(dǎo)增益因子，是熱電壓，在室溫條件下（T=300K）下，可以計(jì)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(mén)子（S）。根據(jù)式（4.1）的傳輸特性方程式，可畫(huà)出OTA的小信號(hào)理想模型如圖4.3、圖4.4所示。對(duì)于這個(gè)理想模型，兩個(gè)電壓輸入之間開(kāi)路，差分輸入電阻為無(wú)窮大；輸出端是一個(gè)受差模輸入電壓控制的電流源，輸出電阻為無(wú)窮大。同時(shí)，理想跨導(dǎo)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(wú)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(dǎo)運(yùn)

5、算放大器CMOS跨導(dǎo)放大器的電路結(jié)構(gòu)與雙極型OTA相似，一般也由跨導(dǎo)輸入級(jí)和電流鏡組成，而且用源極耦合差動(dòng)放大器作為跨導(dǎo)輸入級(jí)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(dǎo)運(yùn)算放大器電路，該電路由10個(gè)MOS晶體管組成。其中T1、T2組成基本源耦差分對(duì)作為OTA的輸入級(jí)，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(dòng)輸入級(jí)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(gè)基本電流鏡，對(duì)輸入級(jí)的差動(dòng)輸出電流移位和導(dǎo)和，以便提供推挽式單端輸出電流。圖4.5 基本CMOS跨導(dǎo)運(yùn)算放大器電路三個(gè)電流鏡的電

6、流傳輸比假設(shè)為，且滿(mǎn)足，則當(dāng)電流鏡中的晶體管工作在飽和狀態(tài)時(shí)，電流傳輸比可視為常數(shù)，此時(shí)圖4.5所示電路的輸出電流為： （4.5）(4.5)式中，是差動(dòng)式跨導(dǎo)輸入級(jí)的增益，是跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的增益。此時(shí)跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的傳輸特性將由跨導(dǎo)輸入級(jí)的傳輸特性來(lái)決定。對(duì)源耦差分輸入級(jí)的分析可得： （4.6）令：且和,其中是T1、T2靜態(tài)柵-源電壓與開(kāi)啟電壓之差，則可得到基本型CMOS跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的歸一化傳輸特性表達(dá)式為： （4.7） 顯然，當(dāng)時(shí)，對(duì)應(yīng)于,式（4.7）成立；當(dāng)時(shí)，T1、T2中已有一管處于截止?fàn)顟B(tài)，不能進(jìn)行正常放大。（4.7）式為非線(xiàn)性函數(shù)，X值越大，對(duì)應(yīng)值越大，式中根號(hào)內(nèi)由平方項(xiàng)引起的非線(xiàn)

7、性失真越嚴(yán)重。表4.1 式（4.7）函數(shù)的非線(xiàn)性誤差值表4.1給出了當(dāng)X取值不同時(shí)，式（4.7）非線(xiàn)性函數(shù)與理想線(xiàn)性函數(shù)之間的相對(duì)誤差值。分析結(jié)果表明，為使實(shí)際傳輸特性與理想直線(xiàn)（）之間的相對(duì)誤差小于1.0，必須小于0.28，對(duì)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(xiàn)性度要求的條件下，為了增大差模電壓信號(hào)輸入的允許范圍，必須設(shè)法增大值，其方法是增大、減小K或兩種放大兼用。通過(guò)以上分析，可以得到基本源耦差分對(duì)CMOS跨導(dǎo)放大器主要性能特點(diǎn)有：源耦差分對(duì)固有的對(duì)稱(chēng)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(dòng)態(tài)范圍是受到限制的。為了使傳輸特性非線(xiàn)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(xiàn)性，但會(huì)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(dǎo)運(yùn)算放大器，因此我們可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行改進(jìn)。幾種比較常用的改進(jìn)CMOS跨導(dǎo)運(yùn)算放大器分別為：帶源極反饋電阻的跨導(dǎo)運(yùn)算放大器、帶輔助源耦對(duì)的跨導(dǎo)運(yùn)算放大器、交叉耦合差動(dòng)式跨導(dǎo)運(yùn)算放大器、帶補(bǔ)償電流源的跨導(dǎo)運(yùn)算放大器和CMOS對(duì)管交叉耦合跨導(dǎo)運(yùn)算放大器。42 跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的基本應(yīng)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?yàn)?，一方面，在?shí)際生活中有許多微弱信號(hào)需要放大，如衛(wèi)星發(fā)來(lái)的圖像信號(hào)；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(guān)鍵組成部分。廣義來(lái)講，放大器可分為電壓放大器、電流放大器、跨導(dǎo)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(duì)，故用OTA同樣可以構(gòu)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(duì)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(duì)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(duì)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(xiàn)性調(diào)節(jié)。由于式（4.6）和式（4.8）僅“+”、“-”號(hào)不同，電壓增益的絕對(duì)值相等。若將兩個(gè)輸入信號(hào)電壓分別作用于OTA的同相及反相輸入端，則可方便實(shí)現(xiàn)差動(dòng)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(wú)窮大。422 加法器加法器又叫求和電路，將多個(gè)OTA的輸出端并聯(lián)，使它們的輸出電流相加并在一個(gè)負(fù)載電阻上形成輸出電壓，便可構(gòu)成對(duì)多個(gè)電壓輸入信號(hào)做加法運(yùn)算的電路。在圖4.7所示電路中，用無(wú)源電阻R做負(fù)載，輸出電壓為： （4.9）若滿(mǎn)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(fù)載，輸出電壓為： （4.11）若滿(mǎn)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(shí)、濾波器的綜合等方面應(yīng)用很廣。4231 電壓積分器在OTA的輸出端并聯(lián)一個(gè)電容作負(fù)載，輸出電壓是輸入電壓的積分值，構(gòu)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(dòng)關(guān)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(duì)于圖4.9（a）、4.9（b）、4.9（c）三個(gè)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(fù)載電容改接到OTA的輸入端，則可構(gòu)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