毕业论文-基于OTA的电压放大器的设计.doc

PAGE 1 绪论跨导型集成运算放大器随着电流模型信号处理方法的兴起引起了人们的关注，其电路设计和应用正在成为一个活跃的研究领域。跨导型放大器是一种电压输入、电流输出的电子放大器。跨导型放大器不仅结构紧凑电路简单，而且可消除极间电容借助密勒效应对高频性的干扰，使增益和带宽彼此独立，可以兼得，这是以前的电压型运放一直做不到的。由于电流量具有很强的信号处理能力，例如，模拟电子技术中的几种最基本信号处理功能（加/减、乘、积分等），用电流信号实现比用电压信号简单得多，因此，具有电流输出量的跨导型放大器在未来电子电路系统中将扮演重要而恰当的角色。从传统电压运算放大器与电流模式运算放大器在结构和性能上区别比较，实现电流模式电路的新型集成电路比电压模式更优越。从电网络角度来看, 电子放大器是一种线性受控电源。按照控制量、受控量是电压还是电流划分, 存在四种受控电源, 即人们熟知的电压控制电压(VCVS)、电压控制电流源(VCCS)、电流控制电压源(CCVS)、电流控制电流源(CCCS)。与之对应的器件为: 电压型集成运算放大器(VOA)、跨导型运算放大器(OTA )、电流反馈运算放大器(CFA ) 和电流传输器(CC)。在四种放大器中, 前三种已有集成产品, 其中OTA 和CFA目前很流行, 电路工作者正在开发它们的应用电路。电流传输器(CC) 目前正处于实验阶段, 相信不久将有产品出售。这四种放大器各有所长, 各有所用, 互相补充, 共同发展, 形成一个完整的电子放大器家族。在模拟信号处理中, 信号的放大是最基本的运算。在早期, 放大电路是根据具体电路来优化设计的。但对于电路的设计者和集成厂家, 设计电一般遵循的两个原则是: (1) 使用高增益模拟放大器。应用这种放大器外加反馈网络, 可精确并简单地实现许多模拟电路的功能；(2) 低成本, 以获取最大的经济效益。电压运算放大器就是基于这两个原则发展起来的运算放大器, 并一直主宰着模拟系统。它的优点是: 开环电压增益很高, 一般工作在深度负反馈状态, 其闭环特性完全由反馈网络的特性决定, 而与放大器本身的开环增益无关。电压运算放大器的差分输入级能很好地抑制共模信号。它只要求一个简单的输出级, 即可同时提供负反馈和驱动负载。这样, 为电路的实现带来了一定的方便。但也正是由于这种结构, 导致了它的功能和多样性的一些限制, 主要有以下几个方面:(1)固定的增益带宽积限制了运放的带宽。因为电压型放大器的输出量是电压, 为了将晶体管的输出电流转换成大幅度的输出电压, 必须在每一级内设置一高阻抗节点。由此引起晶体管极间电容Cu 上的大幅度电压摆动, 形成严重的时间延迟, 使得电压型放大器的高频应用范围远低于晶体管本身的截止频率。(2)输入极的偏流决定压摆率( slew rate) 的最大值, 限制了电压运算放大器的功能。(3)由于电压运放工作于闭环, 故器件不易形成一个受控输出电流。为了解决电压运放在性能和多用途方面的缺陷, 电流模式电路设计技术应运而生。如果被处理的信号由随时间变化的电流代表, 那么电路就称为电流模式电路。显然, 电流模式电路具有低的输入阻抗和高的输出阻抗。同时, 电流模式电路能形成一个被扩展的输出电流的放大器结构, 低阻抗节点可减小整个电路的功率损耗。为实现电流模式电路, 一些新型放大器件应运而生, 如跨导运算放大器(OTA )、电流反馈运算放大器或互阻抗运算放大器(CFA )、电流传输器(CC)。它们的共同特点是: 导致电路的带宽和增益相互独立, 克服了电压放大器增益-带宽积的限制。我们这里着重研究跨导型运放，跨导运放（OTA）是一种电压控制电流源，它的理想低频模型如下图1.1所示：图1.1 OTA的理想低通模型与电压运放相比较, 跨导运放有以下特点:(1) 放大作用比电压型运放小( 2) 两种集成电路结构比较, 跨导型运放的机构简单得多。其输入级将电压输入信号变换为电流信号后, 可直接利用后级晶体管的电流放大作用, 将电流信号放大并传送到输出端。此外, 跨导型运放没有阻抗变换、电平转移等环节, 具有电路简单, 结构紧凑的特点。(3) 跨导型运放的通频带比电压型运放宽得多, 这是因为跨导型运放的输出量是电流, 现有主要电子器件(三极管、场效应管) 的输出量是电流,当电压输入信号在输入级变换为电流信号之后,再经电流传输或放大级, 即可获得电流输出信号。无需设置高阻抗节点。晶体管极间电容两端没有大的电压摆动。(4) 跨导型运放的增益正比于输入级驱动管的gm 值, 而gm 值又正比于其偏置电流值。因此, 借助改变偏置电流, 可以调节跨导型运放的增益值。因而, 跨导型放大器的输出电流不仅受控于输入电压信号, 而且受控于一个增益调节信号, 使放大器增添了一个新的控制端。这一特点将为