OTA基本用电路.doc

跨阻放大器即为跨导运算放大器（Operational Transimpedance Amplifier），简称为OTA。跨导放大器的输入信号是电压，输出信号是电流，增益为跨导。跨导放大器是将电压输入信号放大，提供电流输出信号，是将一种线性电压控制的电流源。跨导放大器的增益是输出电流与输入电压的比值，量纲为电导，单位为西门子（S）。由于决定增益的输出电流和输入电压不是在同一个节点测量的，而是分别在输出端和输入端测量的，因此称其增益为跨导，而称这种放大器为跨导型放大器。理想跨导放大器的条件是输入和输出都为无穷大。现在已经有跨导放大器的产品，例如CA3080和LM13600等等。由于跨导放大器内部只有电压——电流变换级和电流传输级，没有电压增益级，因此没有大摆幅电压信号和米勒电容倍增效应，高频性能好。大信号下的转换速率也高，同时电路结构简单，电源电压和功耗都比较低。这些性能特点表明，在跨导放大器的电路中，电流模式部分起关键作用。 跨导运算放大器分为双极型和MOS型两种，相对于双极型跨导运算放大器而言，CMOS跨导运算放大器的增益值较低，增益可调范围小，但是它的输入阻抗高，功耗低，容易与其他电路结合实现全CMOS集成系统。 跨导运算放大器的应用具有很大的灵活性，即可以通过改变偏置电流达到控制跨导的目的，控制方法简单可靠，易于实现编程控制。其主要用途可以分为两方面。一方面应用于各种线性和非线性模拟电路系统中进行信号运算和处理，如连续时间模拟滤波器设计；另一方面在电压信号变量和电流模拟信号处理系统之间作为接口电路，将待处理的电压信号变为电流信号，然后送入电流模式电路系统进行处理。 4．1 OTA的基本概念 OTA是跨导运算放大器的简称，他是一种双极型集成工艺制作的通用标准部件，OTA的符号如图4.1所示，他是有两个输入端，一个输出端，一个控制端。符号上的“+”号表示同相输入端，“-”表示反相输入端，是输出电流，是偏置电流，即外部控制电流。图4.2为平衡输出OTA的符号。OTA的传输特性用下列方程式描述： （4.1） 式（4.1）中，是输出电流（A）；是差模输入电压（V）；G是开环增益（S），称为跨导增益。在小信号下，跨导增益G是偏置电流的线性函数，其关系式为： （4.2） （4.3） 称为跨导增益因子，是热电压，在室温条件下（T=300K）下，，可以计算出，因此有： （4.4） 式中的量纲用安倍（A）表示，G的量纲为西门子（S）。 根据式（4.1）的传输特性方程式，可画出OTA的小信号理想模型如图4.3、图4.4所示。 对于这个理想模型，两个电压输入之间开路，差分输入电阻为无穷大；输出端是一个受差模输入电压控制的电流源，输出电阻为无穷大。同时，理想跨导放大器的共模输入电阻、共模抑制比、频带宽带等参数均为无穷大，输入失调电压，输入失调电流等参数均为零。 4．2 CMOS跨导运算放大器 CMOS跨导放大器的电路结构与双极型OTA相似，一般也由跨导输入级和电流镜组成，而且用源极耦合差动放大器作为跨导输入级的基本电路，具有很高的共模抑制比和很小的漂移。图4.5所示电路为基本的CMOS跨导运算放大器电路，该电路由10个MOS晶体管组成。其中T1、T2组成基本源耦差分对作为OTA的输入级，完成电压-电流变换；T3、T4组成传输比为1的基本电流镜，将外加偏置电流输送到差动输入级作为尾电流，并控制其增益值：T5与T6、T7与T8、T9与T10分别组成三个基本电流镜，对输入级的差动输出电流移位和导和，以便提供推挽式单端输出电流。 图4.5 基本CMOS跨导运算放大器电路 三个电流镜的电流传输比假设为，，，且满足，则当电流镜中的晶体管工作在饱和状态时，电流传输比可视为常数，此时图4.5所示电路的输出电流为： （4.5） (4.5)式中，是差动式跨导输入级的增益，是跨导运算放大器的增益。此时跨导运算放大器的传输特性将由跨导输入级的传输特性来决定。对源耦差分输入级的分析可得： （4.6） 令：且和,其中是T1、T2静态栅-源电压与开启电压之差，则可得到基本型CMOS跨导运算放大器的归一化传输特性表达式为： （4.7） 显然，当时，对应于,式（4.7）成立；当时，T1、T2中已有一管处于截止状态，不能进行正常放大。（4.7）式为非线性函数，X值越大，对应值越大，式中根号内由平方项引起的非线性失真越严重。 表4.1 式（4.7）函数的非线性误差值 表4.1给出了当X取值不同时，式（4.7）非线性函