跨導(dǎo)運(yùn)算放大器是什么？設(shè)計(jì)時(shí)需考慮哪些問(wèn)題？

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)?？鐚?dǎo)放大器通常會(huì)有一個(gè)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(jí)、可配合負(fù)反饋回路進(jìn)行工作的特性，使得跨導(dǎo)放大器類似于常規(guī)運(yùn)算放大器?？鐚?dǎo)放大器的輸入信號(hào)是電壓，輸出信號(hào)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(yùn)算放大器，簡(jiǎn)稱OTA，另一種是跨導(dǎo)器，跨導(dǎo)運(yùn)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(méi)有市售產(chǎn)品，它是在集成系統(tǒng)中進(jìn)行模擬信號(hào)處理的，跨導(dǎo)器幾乎都是CMOS型的。

由于跨導(dǎo)放大器的輸入信號(hào)是電壓，輸出信號(hào)是電流，所以它既不是完全的電壓模式電路，也不是完全的電流模式電路，而是一種電壓-電流模式混合電路。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)和密勒電容倍增效應(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，電源電壓和功耗都可以降低。這些高性能特點(diǎn)表明，在跨導(dǎo)放大器的電路中，電流模式部分起決定作用。根據(jù)這一理由，跨導(dǎo)放大器被看作是一種電流模式電路。

跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的定義

運(yùn)算放大器可以置于傳感器/信號(hào)源與模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間，將兩者連接在一起，負(fù)責(zé)處理來(lái)自接收器信號(hào)路徑的信號(hào);也可置于數(shù)模轉(zhuǎn)換器與模擬輸出之間，將兩者連接在一起，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)發(fā)送器信號(hào)路徑的信號(hào)無(wú)論是接收還是發(fā)送信號(hào)，運(yùn)算放大器主要負(fù)責(zé)處理模擬信號(hào)，以便將模擬信號(hào)的重要信息傳送至下一環(huán)節(jié)作進(jìn)一步處理。換言之，置于輸入路徑的運(yùn)算放大器負(fù)責(zé)為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供經(jīng)過(guò)處理的輸入信號(hào)，而置于輸出路徑的運(yùn)算放大器則負(fù)責(zé)為發(fā)送器提供經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器處理的輸出信號(hào)。這個(gè)處理過(guò)程并不簡(jiǎn)單，因?yàn)橄到y(tǒng)采用的傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及發(fā)送器都各不相同，為它們提供信號(hào)的信號(hào)源必須在電子特性方面能夠滿足它們的特殊要求，才可以充分發(fā)揮其性能。

什么是跨導(dǎo)放大器(Transconductance Amplifier)

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

該術(shù)語(yǔ)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(hào)gm表示。真空管和FET的基礎(chǔ)增益用跨導(dǎo)表示。

例如，PH測(cè)量?jī)x表的PH電極所發(fā)出的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)高阻抗運(yùn)算放大器的處理，才可傳送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因?yàn)橐话銇?lái)說(shuō)，PH電極的輸出阻抗都很高。輸入阻抗不足的運(yùn)算放大器便無(wú)法充分利用PH電極的電能，以至模數(shù)轉(zhuǎn)換器也無(wú)法獲得足夠的PH電極電能。系統(tǒng)處理模擬信號(hào)時(shí)如果不得其法，即使所采用的數(shù)字處理系統(tǒng)非常先進(jìn)、強(qiáng)勁，系統(tǒng)的整體性能也會(huì)受到嚴(yán)重影響。所謂“接收的是垃圾、輸出的也是垃圾(Garbage in, garbage out)”，便是這個(gè)意思。

射頻接收機(jī)質(zhì)量被認(rèn)為是影響整個(gè)系統(tǒng)成本和性能的主要因素。隨著無(wú)線通信移動(dòng)終端朝著小尺寸、低成本、低功耗方向發(fā)展，射頻前端系統(tǒng)中的集成濾波器" title="濾波器">濾波器設(shè)計(jì)顯得十分重要。其中，基于CMOS工藝的設(shè)計(jì)方案以其成本和功耗的優(yōu)勢(shì)，已成為有源濾波器設(shè)計(jì)選擇的主流方向。

跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(Operational Transconductance Amplifier)因其工作頻率高，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有電控能力，便于集成等特點(diǎn)被廣泛用于有源濾波設(shè)計(jì)中。電壓功耗低的COMS跨導(dǎo)運(yùn)算放大器，同時(shí)有熱穩(wěn)定性能好，芯片面積小，便于集成等優(yōu)點(diǎn)。由OTA及電容C構(gòu)成的OTA—C濾波器，僅含電容，不含電阻以及其他無(wú)源元件，有較低的功耗和較高的應(yīng)用頻率，被普遍應(yīng)用于高頻集成電路領(lǐng)域。

從總體上看，國(guó)內(nèi)的模擬濾波器研究成果較少且工藝陳舊;從帶寬上來(lái)看，低中頻結(jié)構(gòu)接收器中高帶寬的應(yīng)用比較少。本文采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了一個(gè)應(yīng)用于片上全集成接收機(jī)中頻寬帶低通濾波器。

梯形結(jié)構(gòu)電路的元件參數(shù)靈敏度低，實(shí)現(xiàn)時(shí)不用考慮傳輸函數(shù)零極點(diǎn)的配對(duì)，設(shè)計(jì)方便，在寬帶濾波器設(shè)計(jì)中有一定的優(yōu)越性。跳耦結(jié)構(gòu)電路具有較小的寄生敏感度和較大的動(dòng)態(tài)范圍。本文低通濾波器設(shè)計(jì)采用信號(hào)流程圖方式實(shí)現(xiàn)梯形跳耦結(jié)構(gòu)。

近十幾年來(lái)，移動(dòng)電話、掌上電腦、筆記本電腦等便攜式設(shè)備及醫(yī)療、測(cè)試儀器的迅猛發(fā)展拉動(dòng)了具有低壓差、低功耗的LDO(LowDropout)穩(wěn)壓器的快速發(fā)展。當(dāng)前，LDO穩(wěn)壓器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)500mV以下的壓差。在LDO穩(wěn)壓器中，電源是主要的噪聲源。尤其在高頻，電源電壓的變化為系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來(lái)的影響更大。誤差放大器是LDO穩(wěn)壓器的重要組成部分，其穩(wěn)定性與整個(gè)LDO穩(wěn)壓器系統(tǒng)的穩(wěn)定性能密切相關(guān)。因此，研究電源電壓變化對(duì)LDO穩(wěn)壓器中誤差放大器的影響是非常必要的。電源抑制比(PSRR)衡量模擬系統(tǒng)對(duì)抗電源噪聲的能力，是放大器一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。

本文設(shè)計(jì)的誤差放大器為帶共源共柵電流鏡負(fù)載的共源共柵差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器。它應(yīng)用在一款超低功耗的LDO線性穩(wěn)壓器中，采用共源共柵差分結(jié)構(gòu)，提高了PSRR，低頻達(dá)到119dB。同時(shí)，該放大器具有高共模抑制比(CMRR)，低頻達(dá)到106dB，靜態(tài)電流不超過(guò)0.62μA。

OTA的設(shè)計(jì)與仿真

PSRR定義為輸入端到輸出端的電壓增益與電源到輸出端的電壓增益之比，即

Gm(s)和Gmp(s)分別是輸入端到輸出端、電源到輸出端之間的跨導(dǎo)。在LDO線性穩(wěn)壓器中，只有VDD一個(gè)低壓電壓源供電，因此，這里只討論VDD的PSRR。

電流鏡負(fù)載放大器是LDO線性穩(wěn)壓器中誤差放大器的基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。VDD通過(guò)M3、M4，為輸出端引入一個(gè)電流(go4+sCp4)VDD，通過(guò)M3、M1、M2，為輸出端引入一個(gè)電流(go1+sCp1)VDD，則

式中，go為輸出導(dǎo)納，Cp=CGD+CDB。

圖1基本電流鏡負(fù)載差分電路

對(duì)這種結(jié)構(gòu)的放大器的PSRR進(jìn)行Spice仿真，如圖2所示。從圖2中可以看出，低頻時(shí)的PSRR只能達(dá)到47.6dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到LDO線性穩(wěn)壓器的性能要求。從(2)式可以看出，減小M1、M4的輸出導(dǎo)納，可以提高低頻時(shí)的PSRR，減小M1、M4的寄生電容，即減小MOS管的尺寸，可以提高高頻時(shí)的PSRR。