跨导运算放大器

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第5章 集成跨导运算放大器

内容提要 跨导放大器(包括双极型OTA 和CMOS 跨导器)是一种通用性很强的标准器件，应用非常广泛，主要用途可以分为两方面。一方面，在多种线性和非线性模拟电路和系统中进行信号运算和处理；另一方面，在电压模式信号系统和电流模式信号系统之间作为接口电路，将待处理的电压信号变换为电流信号，再送入电流模式系统进行处理。本章将介绍OTA 的基本概念，双极型集成OTA 的电路结构，及其OTA 在模拟信号处理中的基本应用原理。 CMOS 跨导器是近年来研究和发展的主流，本章将主要介绍几种CMOS 跨导放大电路。

5.1 引言

跨导放大器的输入信号是电压，输出信号是电流，增益叫跨导，用G m 表示。集成跨导放大器可分为两种，一种是跨导运算放大器(Operational Transconductance Amplifier)，简称OTA ；另一种是跨导器(Transconductor)。

跨导运算放大器是一种通用型标准部件，有市售产品，而且都是双极型的。跨导器不是通用集成部件，它主要用于集成系统中进行模拟信号的处理，跨导器几乎都是CMOS 型的。

双极型OTA 和CMOS 跨导器的功能在本质上是相同的，都是线性电压控制电流源。但是，由于集成工艺和电路设计的不同，它们在性能上存在一些不同之处：双极型OTA 的跨导增益值较高，增益可调而且可调范围也大(3～4个数量级)；CMOS 跨导器的增益值较低，增益可调范围较小，或者不要求进行增益调节，但它的输入阻抗高、功耗低，容易与其他电路结合实现CMOS 集成系统。

由于跨导放大器的输入信号是电压，输出信号是电流，所以它既不是完全的电压模式电路，也不是完全的电流模式电路，而是一种电压／电流模式混合电路。但是，由于跨导放大器内部只有电压一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密勒电容倍增效应，高频性能好，大信号下的转换速率也较高，同时电路结构简单，电源电压和功耗都可以降低。这些高性能特点表明，在跨导放大器的电路中，电流模式部分起决定作用。根据这一理由，跨导放大器可以看作是一种电流模式电路。

5.2 双极型集成OTA

5.2.1 OTA 的基本概念

OTA 是跨导运算放大器的简称，它是一种通用标准部件。OTA 的符号如图5.1所示，它有两个输入端，一个输出端，一个控制端。符号上的“+”号代表同相输入端，“-”号代表反相输入端，i o 是输出电流，I B 是偏置电流，即外部控制电流。

OTA 的传输特性可用下列方程式描述

id m i i m o )(u G u u G i =-=-+ (5.1)

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式中 i o 是输出电流；u id 是差模输入电压；G m 是开环跨导增益。

通常由双极型集成工艺制作的OTA 在小信号下，跨导增益G m 是偏置电流I B 的线性函数，其关系式为

B m hI G = (5.2)

T

21

2U kT q h =

=

(5.3) h 称为跨导增益因子，U T 是热电压，在室温条件(T =300 K)下，U T =26 mV ，可以计算出h =19.2[1/V]，因此有

B m 2.19I G = (5.4) 式中I B 的单位用[A]，G m 的单位为[S]。

根据式(5.1)的传输特性方程式，可画出OTA 的小信号理想模型如图5. 2所示。对这个理想模型，两个电压输入端之间开路，差模输入电阻为无穷大；输出端是一个受差模输入电压u id 控制的电流源，输出电阻为无穷大。同时，理想条件下的跨导放大器的共模输入电阻、共模抑制比、频带宽度等参数均为无穷大，输入失调电压、输入失调电流等参数均为零。

以上通过对OTA 基本概念的介绍可以看出，与常规的电压模式(电压输出／电压输入)运算放大器比较，OTA 具有下列性能特点；①输入差模电压控制输出电流，开环增益是以[S]为单位的跨导；②增加了一个控制端，改变控制电流(即偏置电流I B )可对开环跨导增益G m 进行连续调节；③它还具有电流模式电路的特点，如频带宽，高频性能好等。

5.2.2双极型OTA 电路结构

1 ．双极型OTA 结构框图

双极型集成OTA 的结构框图如图5.3所示。图中u i+是同相输入端，u i - 是反相输入端。i o 是电流输出端，I B 是偏置电流输入端。晶体管VT 1、VT 2组成差动式跨导输入级，将输入电压信号变换为电流信号，E C 、-E E 分别是正、负电源。

框图中的M x 、M y 、M z 、M w 均为电流镜，其中电流镜M w 将外加偏置电流I B 输送到VT 1、VT 2组成的差动输入级作静态电流；电流镜M x 和M y 将VT 1的集电极电流i cl 输送到输出端；电流镜M z 将VT 2的集电极电流i c2输送到输出端。由于M y 与M z 是极性互补的电流镜，M y 的输

i o

u i+u i -+

-

- u i -）

图5. 2 OTA 的小信号理想模型

图5. 1 OTA 的电路符号 u i+u i -

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出电流为流进方向，M z 的输出电流为流出方向，故将i cl 与i c2的差值取作输出电流i o ，形成单端推挽式输出。由框图可看出，双极型OTA 的电路结构十分简单，它的基本单元电路只有共射差动放大级和若干个电流镜。

下面介绍一种基本型OTA 电路，它是美国RCA 、NSC 等公司生产的3080系列OTA 所采用的电路。

2. 基本型OTA 电路 （1）电路组成

基本型OTA 的电路如图5. 4所示。它由11个晶体管和6个二极管组成。注意，这里的所有二极管实际上都是指集、基短接的晶体管。

在图5. 4所示电路中，VT 1、VT 2组成跨导输入级，它是共射差动式电路，输入电压信号，输出电流信号，因此是跨导放大级。VT 3和VD 1组成一个基本镜象电流镜，与结构框图5.3中M w 的作用相同，将外加偏置电流I B 送到输入级作VT 1、VT 2的射极长尾电流。VT 7、VT 8、VT 9和VD 5组成威尔逊电流镜，起结构框图5.3中M z 的作用，VT 8与VT 9的达林顿接法可提高电流镜的输出电阻，并联在VT 8发射结上的二极管VD 4用来加快电路的工作速度。同理，VT 4、VT 5、VT 6与VD 2、VD 3组成威尔逊电流镜，起结构框图5.3中M x 的作用。VT 10、VT 11和VD 6组成第三个威尔逊电流镜起框图中M y 的作用。输出端为VT 9集电极与VT l0集电极的相交点。因此是高阻抗输出端，输出电流为VT 9集电极电流与VT 10集电极电流之差。

如果上述电路中4个电流镜的电流传输比均等于1，从而使得i c9=i c2 ，i c10=i cl ，i o =

图5. 3 双极型集成OTA 的结构框图

VT 2

VT 1 E C

-E E

图5.4 基本型OTA 电路

i 1

i 2

i 10=i 1

I B

VT 1 VT 2 VT 3

VT 4

VT 5

VT 6

VT 7

VT 10

VT 11

VD 1

VD 2

VD 3 VD 4

VD 6

i 9=i 2

VT 8

VT 9

VD 5

E C

-E E