什么是跨導(dǎo)放大器？ 跨導(dǎo)運算放大器有哪些用途？

跨導(dǎo)放大器(operational transconductance amplifier, OTA)是一種將輸入差分電壓轉(zhuǎn)換為輸出電流的放大器，因而它是一種電壓控制電流源(VCCS)。跨導(dǎo)放大器通常會有一個額外的電流輸入端，用以控制放大器的跨導(dǎo)。高阻的差分輸入級、可配合負(fù)反饋回路進行工作的特性，使得跨導(dǎo)放大器類似于常規(guī)運算放大器?？鐚?dǎo)放大器的輸入信號是電壓，輸出信號是電流，增益叫跨導(dǎo)，用Gm表示。集成跨導(dǎo)放大器可分為兩種：一種是跨導(dǎo)運算放大器，簡稱OTA，另一種是跨導(dǎo)器，跨導(dǎo)運算放大器是一種通用型標(biāo)準(zhǔn)部件，有市售產(chǎn)品，而且都是雙極型的?？鐚?dǎo)器不是通用集成部件，沒有市售產(chǎn)品，它是在集成系統(tǒng)中進行模擬信號處理的，跨導(dǎo)器幾乎都是CMOS型的。

跨導(dǎo)放大器的輸入信號是電壓，輸出信號是電流，增益叫跨導(dǎo)，用Gm表示。集成跨導(dǎo)放大器可分為兩種：一種是跨導(dǎo)運算放大器，簡稱OTA，另一種是跨導(dǎo)器，跨導(dǎo)運算放大器是一種通用型標(biāo)準(zhǔn)部件，有市售產(chǎn)品，而且都是雙極型的。跨導(dǎo)器不是通用集成部件，沒有市售產(chǎn)品，它是在集成系統(tǒng)中進行模擬信號處理的，跨導(dǎo)器幾乎都是CMOS型的。

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什么是跨導(dǎo)放大器(Transconductance Ampl

將電壓轉(zhuǎn)換為電流的放大器, 另外還有其它幾個名稱(請參考同義詞列表)。其中一個同義詞是OTA，或稱為運算跨導(dǎo)放大器，從運算放大器和跨導(dǎo)放大器派生而來。

該術(shù)語源于“傳輸電導(dǎo)”，以西門子(S)為單位，1西門子 = 1安培/伏特，通常用符號gm表示。真空管和FET的基礎(chǔ)增益用跨導(dǎo)表示。

我們通常見到的運算放大器電路，都是圍繞電壓輸入一電壓輸出的常規(guī)型運放而設(shè)計的。而另一種類型的運放也常用于很多音頻處理場合中，它采用電壓輸入一電流輸出(跨導(dǎo))形式工作，增益由外接控制端控制，這種器件稱作跨導(dǎo)型運算放大器(OTA)，NE5517就是一款這樣的集成電路。 上圖為OTA的電路符號和工作時的基本計算公式，普通的差動輸入端接收e1與e2兩信號，其輸出電流為這兩個信號之差乘以O(shè)TA的跨導(dǎo)值

我們通常見到的運算放大器電路，都是圍繞電壓輸入一電壓輸出的常規(guī)型運放而設(shè)計的。而另一種類型的運放也常用于很多音頻處理場合中，它采用電壓輸入一電流輸出(跨導(dǎo))形式工作，增益由外接控制端控制，這種器件稱作跨導(dǎo)型運算放大器(OTA)，NE5517就是一款這樣的集成電路。

上圖為OTA的電路符號和工作時的基本計算公式，普通的差動輸入端接收e1與e2兩信號，其輸出電流為這兩個信號之差乘以O(shè)TA的跨導(dǎo)值gm，gm的單位是西門子(S)，S=1/Ω。gm等于外部偏置電流lbias的20倍。因此增益可由偏流控制，實際應(yīng)用中此偏流可在1000：1的范圍口任意變化下。圖為NE5517的引腳和內(nèi)部電路圖。圖3為口用NE5517集成電路組成的一個環(huán)型調(diào)制器電路。

圖下3路中，載波信號由R2輸入，由R3輸出。調(diào)制電壓由NE5517的1腳輸入。當(dāng)調(diào)制輸入為正時OTA的增益升高，而且對R2的輸出電流超過R2的直接輸入信號電流，得到反相輸出的載波信號。相反的，調(diào)制電壓變?yōu)樨?fù)時OTA增益變小，R2的直接信號電流超過了OTA輸出產(chǎn)生的電流，就獲得同相載波輸出信號。首先先介紹：跨導(dǎo)放大器(operational transconductance amplifier, OTA)是一種將輸入差分電壓轉(zhuǎn)換為輸出電流的放大器，因而它是一種電壓控制電流源(VCCS)。 跨導(dǎo)放大器通常會有一個額外的電流輸入端，用以控制放大器的跨導(dǎo)。 高阻的差分輸入級、可配合負(fù)反饋回路進行工作的特性，使得跨導(dǎo)放大器類似于常規(guī)運算放大器。

兩級Miller補償OTA

OTA的設(shè)計一般分成兩個步驟，其一是根據(jù)設(shè)計需求選擇需要的電路結(jié)構(gòu)，其二是根據(jù)電路指標(biāo)結(jié)合計算結(jié)果確定電路中器件尺寸并進行仿真迭代。

上述電路是最簡單的兩級OTA結(jié)構(gòu)，左側(cè)結(jié)構(gòu)是電流偏置產(chǎn)生電路，中間是五管結(jié)構(gòu)的差分輸入對，右側(cè)是共源極輸出，其中包含一個跨接在第二級輸入與輸出之間的補償結(jié)構(gòu)。

兩級OTA設(shè)計指標(biāo)

參數(shù)名 指標(biāo)

負(fù)載電容 3pF

電源電壓 2.8V

靜態(tài)功耗 <2mW

開環(huán)直流增益 80dB

相位裕度 >60°

轉(zhuǎn)換速率 >30V/us

輸入共模電壓 1.4V

單位增益帶寬積 >30MHz

根據(jù)上面的設(shè)計指標(biāo)，結(jié)合相應(yīng)的計算公式，以gm/Id作為參數(shù)重新表示各指標(biāo)的計算公式。

開環(huán)直流增益：

開環(huán)增益跟第一級、第二級電路的gm/Id值有關(guān)，同時與NMOS、PMOS的溝道長度調(diào)制系數(shù) λn 和 λp 有關(guān)(假設(shè)所有MOS管的柵長一致，相同類型的MOS管溝道長度調(diào)制系數(shù)一樣)。

通過選取器件柵長同時調(diào)整 M2 和 M6 的gm/Id值即可調(diào)整該電路的開環(huán)直流增益。

單位增益帶寬積和轉(zhuǎn)換速率的關(guān)系：

注意：上面公式成立的條件是擺率由第一級電流和Miller電容限制，除此之外擺率還有可能受輸出節(jié)點限制，所以第二級靜態(tài)電流會取得相對大一些，保證擺率不會受到第二級偏置電流和輸出節(jié)點電容的限制。

根據(jù)單位增益帶寬積和轉(zhuǎn)換速率的關(guān)系公式，可以由單位增益帶寬積或者轉(zhuǎn)換速率的指標(biāo)確定第一級輸入管gm/Id的最小范圍。

另外，根據(jù)參考資料推導(dǎo)，可以確定滿足相位裕度要求時Miller電容 Cc 滿足：

根據(jù)輸入電壓和功耗要求，可以求出所有支路電流之和需要滿足： Itot ≤ 700 μA 。

參數(shù)計算

前面已經(jīng)有了各指標(biāo)的表達式，下面可以首先選取某個參數(shù)作為初始設(shè)計指標(biāo)，小目習(xí)慣以開環(huán)直流增益做為設(shè)計起點。

為了提高電流鏡結(jié)構(gòu)電路的匹配型，需要讓所有電流鏡結(jié)構(gòu)的MOS管工作在飽和區(qū)同時保持gm/Id值一致，這里為了利用之前設(shè)計的電流源偏置電路，取所有MOS管的L=2um.

選擇 M3?7 的gm/Id=6，為了提高輸入對管的匹配性(輸入管取稍小的過驅(qū)動電壓)，并且獲得一定的電壓增益，取 M1?2 的gm/Id=12.

通過曲線可以看到，滿足上面參數(shù)的MOS管對應(yīng)的溝道長度調(diào)制系數(shù)分別為： λn=0.012 和 λp=0.004 (同一類型的器件取最大值，留出一定裕量).

經(jīng)過公式驗證，按照上面的參數(shù)取值，開環(huán)直流增益的手算結(jié)果大約為：109dB，滿足設(shè)計指標(biāo)中80dB的要求。

取Miller電容為0.7pF，根據(jù)SR的要求，可以得到第一級電路的靜態(tài)電流最小約為：21uA，第二級電路的靜態(tài)電流最小約為：110uA.

結(jié)合電流源偏置電路的輸出電流(10uA)，為了方便這里分別取第一級電路的總靜態(tài)電流為40uA;第二級電路的總靜態(tài)電流為220uA.

通過GBW和SR的表達式，結(jié)合輸入對管的gm/Id取值，可以計算電路的SR大約為：57V/us，GBW值滿足設(shè)計指標(biāo)，大約為：54MHz左右。

用調(diào)零電阻產(chǎn)生的零點抵消第二極點的位置，根據(jù)公式：

按照上面電流與gm/Id的取值，代入公式，可以計算調(diào)零電阻取值約為：4K.

確定器件尺寸并仿真驗證

按照器件gm/Id的值可以計算器件的尺寸，具體內(nèi)容如下面器件標(biāo)注所示。

電流鏡和電流負(fù)載的尺寸可以直接根據(jù)電流源偏置電路的尺寸按比例計算，輸入對管的尺寸查表計算。

按照圖中標(biāo)注的尺寸，對電路進行仿真分析，分別進行dc、tran、stb仿真，驗證實際仿真與設(shè)計值的偏差。

首先確認(rèn)所有器件工作在正確狀態(tài)，各器件的gm/Id仿真值與設(shè)計值對比：

其中輸出級電路電流值與設(shè)計偏差較大，但是對設(shè)計指標(biāo)影響不大，先不做調(diào)整，可以看到總體來看仿真值與設(shè)計值偏差不大。

設(shè)計結(jié)果與指標(biāo)對比

通過查看瞬態(tài)仿真結(jié)果，計算電路的壓擺率是否滿足設(shè)計指標(biāo)并思考設(shè)計與仿真結(jié)果之間的誤差來源。

仿真得到的SR約為40V/us，按照計算應(yīng)為57V/us，通過查看仿真結(jié)果，實際第一級輸出節(jié)點電容值大約為1.1pF，按照仿真得到的電流：41.7uA計算，SR大約為：38V/us，與仿真值比較接近。

通過stb仿真驗開環(huán)直流增益，從仿真結(jié)果可以看到，設(shè)計的電路開環(huán)直流增益為：108dB，增益帶寬積大約為：37MHz，相位裕度大約為：45°。