OTA基本應(yīng)用電路

1、精品文檔 跨阻放大器即為跨導(dǎo)運算放大器（Operatio nal Tran simpeda nee Amplifier ），簡稱為OTA跨導(dǎo)放大器的輸入信號是電壓，輸出信號是電流， 增益為跨導(dǎo)。跨導(dǎo)放大器是將電壓輸入信號放大， 提供電流輸出信號，是將一種 線性電壓控制的電流源。跨導(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(dǎo)，而稱 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窮大。 現(xiàn)在已經(jīng)有跨導(dǎo)放大器的產(chǎn)品，例如 CA3080和LM

2、13600等等。由于跨導(dǎo)放大器 內(nèi)部只有電壓一一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(yīng)，高頻性能好。大信號下的轉(zhuǎn)換速率也高，同時電 路結(jié)構(gòu)簡單，電源電壓和功耗都比較低。這些性能特點表明，在跨導(dǎo)放大器的電 路中，電流模式部分起關(guān)鍵作用。 跨導(dǎo)運算放大器分為雙極型和 MOS兩種，相對于雙極型跨導(dǎo)運算放大器而 言，CMO跨導(dǎo)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(jié)合實現(xiàn)全 CMOS!成系統(tǒng)。 跨導(dǎo)運算放大器的應(yīng)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(dǎo)的目的，控制方法簡單可靠，易于實現(xiàn)編程控制。

3、其主要用途可以分為兩 方面。一方面應(yīng)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(shè)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?統(tǒng)進行處理。 4.1 OTA的基本概念 OTA是跨導(dǎo)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，I。是輸出電流，I B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

4、式描述： 式（4.1 ）中，I 是輸出電流（A） ; Vid是差模輸入電壓（V） ; G是開環(huán)增益（S）， 1歡迎下載I。= GV _V=GVid (4.1 ) 精品文檔 稱為跨導(dǎo)增益。在小信號下，跨導(dǎo)增益 G是偏置電流IB的線性函數(shù)，其關(guān)系式 為： G = hl B （4.2） q 1 h （ 4.3） 2kT 2Vr h稱為跨導(dǎo)增益因子， V 是熱電壓，在室溫條件下（T=300K下，Vr =26mV， 可以計算出h =19.2（1/V），因此有: G = 19.21B 式中IB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勺小信號理想模

5、型如圖4.3、 圖4.4所示。 V 0 - + 0 0(V+-V) V - 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(dǎo)放 大器的共模輸入電阻、共模抑制比、頻帶寬帶等參數(shù)均為無窮大，輸入失調(diào)電壓， 2歡迎下載(4.4) 圖4.3差分輸入單端輸出OTA模型 圖4.4 全差分OTA模型 圖41 OTA的電路符號 圖4. 2平衡輸岀的OTA電路符號 精品文檔 輸入失調(diào)電流等參數(shù)均為零。 4. 2 CMOS跨導(dǎo)運算放大器 CMO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)輸入級和電 流鏡組成，而且

6、用源極耦合差動放大器作為跨導(dǎo)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CMO跨導(dǎo)運算放大器電路， 該電路由10個MO關(guān)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I B輸送到差動輸入級作為尾電流I SS，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(dǎo)和，以 便提供推挽式單端輸出電流。 圖4.5基本CMO跨導(dǎo)運算放大器電路 三個電流鏡的電流傳輸比假設(shè)為 ， m2， m3，且滿足m2 = m!m3 = m

7、，貝U 當(dāng)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 3歡迎下載4.5 所示電路的輸出電流為: 10 =mlD2Dl = mgm V| 亠 V|_=gmV| 亠 V| (4.5 ) （4.5）式中，gm是差動式跨導(dǎo)輸入級的增益，gm是跨導(dǎo)運算放大器的增益。 此時跨導(dǎo)運算放大器的傳輸特性將由跨導(dǎo)輸入級的傳輸特性來決定。 對源耦差分 輸入級的分析可得： 2K (4.6) 與開啟電壓之差，則可得到基本型 CMO跨導(dǎo)運算放大器的歸一化傳輸特性表達 式為: Y=2X：1*X2 （4.7） 顯然，當(dāng)X蘭十2時，對應(yīng)于VQmax蘭作K，式（4.7）成立；當(dāng) X/2 時, T1、T2中已有

8、一管處于截止?fàn)顟B(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(yīng)V|D值越大，式中根號內(nèi)由平方項引起的非線性失真越嚴重。 表4.1式（4.7 ）函數(shù)的非線性誤差值 X 宀2X YY - X100% YI 0.1 0.2 0.199749 0.1250 0.2 04 0397994 0.5012 0.3 0.6 0.593211 1.1314 0.4 0,8 0.783836 2.0204 0.5 L0 0.968245 3.1754 精品文檔 l SS 2 1一/ I。=lss 2KV|D d 1 SS T2靜態(tài)柵-源電壓 4歡迎下載 精品文檔 表4.1給出了當(dāng)X取值不同時，

9、式（4.7 ）非線性函數(shù)與理想線性函數(shù) Y=2X 之間的相對誤差值。分析結(jié)果表明，為使實際傳輸特性與理想直線（ 丫 -2X） 之間的相對誤差小于1.0 % , |MD|必須小于0.28必，對于一般的K和Iss取值， VID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(shè)法增大 必值，其方法是增大Iss、 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 CMO跨導(dǎo)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差小

10、于 1.0 %，VID要限制在一下范圍： (4.8) 增大Iss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CMO跨導(dǎo)運算放大器，因此我們可以根據(jù)實際應(yīng) 用進行改進。幾種比較常用的改進 CMO跨導(dǎo)運算放大器分別為：帶源極反饋電 阻的跨導(dǎo)運算放大器、帶輔助源耦對的跨導(dǎo)運算放大器、交叉耦合差動式跨導(dǎo)運 算放大器、帶補償電流源的跨導(dǎo)運算放大器和 CMO對管交叉耦合跨導(dǎo)運算放大 4. 2跨導(dǎo)運算放大器的基本應(yīng)用電路 4. 2. 1 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 5歡迎下載 精品文檔 多微弱信號需要放大，

11、如衛(wèi)星發(fā)來的圖像信號；另一方面，放大器又是濾波器， 振蕩器等各種模擬電路的關(guān)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(dǎo)放大器和跨阻放大器四種，它們分別與電壓控制電壓源（VCV$、 電流控制電壓源（CCC、電壓控制電流源（vcc$和電流控制電壓源（CCVS 相對，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。 對于圖4.5所示的反相放大器，輸出電壓和電壓增益分別： V。一GVjRL （4.5、 Aj =丄=-GRL （4.6、 Vi 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： V。=

12、GVi RL （4.7、 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IB成 正比，因此，電壓增益可經(jīng)外偏置電流作線性調(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RL，帶寬BW為無窮大。 4. 2. 2加法器 加法器又叫求和電路，將多個OTA勺輸出端并聯(lián)，使它們的輸出電流相加并 Vi 二GRL (4.8、 圖4. 6同相放大器 在一個負載電阻上形成輸出電壓，便可構(gòu)成對多個電壓輸入信號做加法運算的電 6歡迎下

13、載 精品文檔 路。在圖4.7所示電路中，用無源電阻R做負載，輸出電壓為： V。二 G1V1 G2V2 GnVn R ( 4.9) 若滿足Gi二G2二Gn =1/R,則輸出電壓為： V。=Vi V2 Vn ( 4.10) 在圖4.8所示電路中，用OTA接地模擬電阻1/Gr作負載，輸出電壓為： 4. 2. 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(yīng)用很廣。 4. 2. 3. 1電壓積分器 在OTA勺輸出端并聯(lián)一個電容作負載，輸出電壓是輸入電壓的積分值，構(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 和差動關(guān)系。其電路分別如圖4.9 (a)、

14、4.9 (b)、4.9 (c)所示。 V。= GiVi G2V2 GnVn 1/Gr (4.11) 若滿足G1 =G2二Gn = Gr，貝U輸出電壓為: V2 必 (4.12) 7歡迎下載 4. 2. 3. 2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(gòu)成電流模式積分器，如圖 4.10 (a)、4.10 (b)、4.10 (c)所示，他們輸入信號和輸出信號都是電流。 為: G I i SC = G I i SC 精品文檔 Io 丄r I 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: V0 _G Vi 一 SC (4.13) V。 (4.14) V。 y -v2 G SC (4.15) 1一 (專同相積分器 11 (0反相積分器 圖 4.10 電流積分器 對于 4.10 (a)、4.10 (b)、4.