OTA电压放大器设计.doc

山东科技大学学士学位论文 绪论 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。这一特点将为跨导型运放的应用增加多样性和灵活性, 并可进行程控。总之, 跨导运放的特点是: 输出电阻高, 输出量是不随负载变化的电流；高频性能好, 通频带宽, 新增加一个增益控制端, 使增益连续可调；电路结构简单, 容易设计制造。放大能力较弱这是其缺点，主要应用于开环或非深度反馈状态, 动态范围不大。跨导型集成运算放大器现有CA3060,CA3080,LM13600 等系列产品。跨导型集成运放的端口扩展性能还是不错的，由于跨导放大器内部采用电流信号处理模式, 使其输入端、输出端便于灵活扩展，这为常规电压型运放难以具备的特点使其性能特色增加且应用更方便。跨导型放大器内部电路的电流工作模式决定其输入端、输出端可以方便扩展, 增强了这种有源器件的功能多样性和应用灵活性，充分注意和利用这一特点, 可使电路和系统设计减少元件, 简化结构, 降低功耗, 改善频响特性等,既可设计通用集成多输入端、多输出端跨导型放大器, 也可在设计系统时视具体要求决定输入端、输出端数目。近几年来，电流模式信号处理方法和技术的发展，跨导型注入了强大的活力，不仅为有源器件电路综合技术开拓了新的天地。可以预见，随着研究工作的深入和技术发展，跨导型集成放大器的运用会更加广泛，其优点会得到很大的发挥。4山东科技大学学士学位论文 OTA电路的组成与原理分析2 OTA电路组成与原理分析OTA集成电路以其内部晶体管的类型分为双极型和MOS型两种，目前市面上可见的双极型的OTA集成电路有CA3080，LM13600，还有OPA660等；而 MOS型集成运放器具有输入电阻高、功耗小、热稳定性好的特点，更适宜在集成系统中的应用。近年来随着CMOS工艺技术和电路设计的发展，CMOS跨导型运放的研究也取得较快的发展。21双极型OTA结构框图与单元电路211双极型OTA的结构框如下图2.1所示图2.1 双极型OTA的结构框图结构框图由，四个电流镜恒流源及一个差分对输入级组成。其中，将放大器外加偏置电流输送到晶体管VT1，VT2的发射极作尾电流，和将VT1的电流输送到输出端，将VT2的电流输送到输入端，由于与具有互补性关系，故将与之差取作输出电流，并形成推挽式单端高阻输出方式。212射极耦合差动放大级它由特性一致的晶体管T1，T2组成，T1，T2的发射极并联，电极经过负载接到正电源，当没有差模信号时，由于两晶体管完全对称，集电极电压、电流之差为零。当输入差模电压信号时 (2.1.1)设=1，则 (2.1.2)是差模输入电压。跨导增益，室温下，因此 =19.2 (2.1.3) (2.1.4) (2.1.5)在条件下，跨导增益与偏置电流成正比，差模输入电阻与成反比；及均与温度有关；当数值较大时，及与不再维持线性关系。213电流镜电路图2.2 基本电流镜 图2.3 威尔逊电流源， (2.1.7) (2.1.8)电流传输比小于1，且随的改变而改变。威尔逊电流镜电流传输比由决定，比基本电流镜更接近1，基本电流镜的输出电阻如下式： (2.1.9)而威尔逊的输出电阻 (2.1.10)输出电阻显著提高。214 差动式电流传输电路一种对差动电流信号兼有传输和放大作用的电路如下图2.4所示，它 图2.4 差动式电流传输电路 有T1-T5组成5个晶体管的相等，T1和T2物性一致，T3和T4特性一致，T5为T3，T4提供偏置电流，特性与个T1并联管的特性一致。不难导出 (2.1.11) (2.1.12)则其结果表明与 及分别呈正比，而与无关，该电路的差动输出电流将差动输入电流放大了倍。22集成芯片LM13600简介LM13600是具有线性化输入二极管和达林顿缓冲输出级的双跨导放大器。它的等效电路图如下图2.5所示。图2.5 LM13600等效电路它由13 只晶体管和6 只二极管组成。除T3及T13 外，其它晶体管及二极管（由集电结短接的晶体管组成）均具有相对的几何尺寸。LM13600 等效电路由输入级、电流传输级和输出级3 部分组成。输入级中T4、T5 是差分对管；T1、T2 和D1 组成威尔逊电流镜传输外加偏置电流；二极管D2、D3 称为线性化二极管，其作用是补偿差动跨导输入级传输特性的非线性失真，以扩大其线性范围。电流传输级是由3 个威尔逊电流镜构成，分别由T6、T7、D4 和T8、T9、D5 以及T10、T11、D6 来组成，3 个电流镜的电流传输比均近似为1。输出级中高阻输出端为T9 与T11 的集电极，由于T9 与T11 为互补型晶体管，所以输出电流为两管集电极电流之差；T12、T13 组成达林顿缓冲输出级，它既有电流放大作用，又可提供低阻的电压输出端。晶体管T3 为缓冲级的T12 提供可控偏置电流。由于T3 与T1 具有镜象电流关系，缓冲级的偏置电流和输入阻抗将随放大器偏置电流 的大小而自动调节。当 数值较小时，高阻输出端可能输出的电流很小，此时缓冲级亦为小电流工作状态，所需偏置电流也很小，使高阻端输出电流与缓冲级偏置电流自动调节。在直接输入电压信号，即线性化二极管D2、D3不工作条件下，LM13600 跨导运放输出电流 及跨导增益表达式分别为： (2.2.1) (2.2.2)LM136009 采用双排直插16 线封装，同一封装内的两个放大器特性一致，其特性由各自偏置电流独立控制；放大器跨导增益有大于4 个数量级的可调范围；偏置电流对跨导增益有良好的线性控制关系；在放大器的输入端加入线性化补偿二极管，用以降低非线性失真，扩大传输特性的线性范围；在放大器输出端设置了能自动调节输入阻抗的达林顿缓冲输出级，使该放大器能独立提供高阻电流输出端和低阻电压输出端，增加其应用灵活性。23 CMOS跨导运算放大器231 CMOS跨导运算放大器的性能和不足近年来，在模拟集成电路的设计中，无论是对于线性还是非线性的应用，跨导型运算放大器都是一个应用很广的组件。双极型跨导运算放大器具有很多优良性能，例如，增益值及其可调范围均较大，与偏置电流之间具有大范围的线性关系等。但传输特性的线性范围小，在非线性误差不大于1%的条件下，未经线性补偿的OTA的差模输入电压允许值约为10毫伏。而CMOS跨导型运算放大器虽然增益值及其可调范围较小，但它的输入电阻高、功耗小、热稳定性好，更加适宜在集成系统中的应用。CMOS跨导型运算放大器在应用中大多工作在开环或非深度负反馈状态，以便用调节开环增益值去控制电路和系统的性能参数。这时，跨导型运算放大器两个输入端之间不存在“虚短路”，在大信号输入条件下，两个输入端之间出现的信号也大。为了使电路和系统有较大的动态范围，要求CMOS跨导型运算放大器具有大信号下的高线性度。232 基本源耦差分对跨导运算放大器最简单的CMOS跨导型运算放大器是基本源耦差分对跨导型运算放大器，其电路组成如图2.6所示：图 2.6 基本源耦差分对跨导运算放大器图中N沟道MOS管M1, M2组成源耦差分对输入级以实现电压一电流变换；P沟道MOS管M3,M4组成基本电流镜，作为源耦差分对的漏极负载，从而实现输出电流的双端单端变换。设M3, M4组成基本电流镜的电流传输比保持1，则该CMOS跨导型运算放大器的传输特性由源耦差分对决定。源耦差分对输入级的分析可知其输出电流为：，(2.3.1)或， (2.3.2)跨导 = (2.3.3)在传输特性的原点，即=0处，跨导增益为： (2.3.4)上式表明，源耦差分对CMOS跨导增益与的平方根成正比，同时也与的平方根成正比，这与MOS晶体管单管跨导值的结论是相同的。因此，可以通过调节偏置电流或差分对管的沟道宽长比来调节跨导值。式2.3.1说明，源耦差分对的传输特性只在差模输入电压有限的范围内才是近似线性的。令，是M1, M2的静态栅一源电压与开启电压之差。分析结果表明，为使实际传输特性与理想直线之间的相对误差小于1%。的绝对值必须小于0.28，对于一般的和取值，的允许范围约为几十毫伏至几百毫伏。在保持一定线性度要求的条件下，为了扩大差模输入电压的允许范围，必须设法增大值，其途径是或增大值，或减小值，或两种方法兼用。利用增大值和减小晶体管值(增大差分对管的沟道长度或减小沟道宽度尺寸)来扩展传输特性的线性范围，其优点是简便易行，缺点是增大会产生较大的功率耗散。同时，在负极性电源电压值固定的条件下，增大值和减小值都使得差分对管M1,M2的静态栅一源电压降增大，导致偏置电流源两端电压的工作范围减小，使其在较小的负向共模输入信号作用下便脱离恒流作用区，造成为电流的不稳定。由上可知，基本源耦差分对CMOS跨导运算放大器的主要性能特点如下:由于源耦差分对固有的对称性使它具有较小的失调和漂移；还能提供良好的高频特性和低噪声特性；但是，它的动态范围是受到限制的，为了使传输特性非线性误差小于1%，差模输入电压需限制在以下范围： （2.3.5）增大、减小值虽可以改善线性，但会引起功耗增加，效率降低，并损失负向共模抑制能力。并且，在线性输入范围内，其跨导增益值正比于。因此，简单的基于源耦合差分对的跨导运算放大器不仅限制了输入电压的范围，而且限制了通过调整来大范围调整跨导的能力，例如，跨导增益值改变10倍，则应改变100倍，这显然不适于集成电路低电压、低功耗的工艺环境要求的发展趋势。233 对于CMOS的跨导运放的改进方法为了改善差动式跨导输入级直流传输特性的线性程度，扩大差模输入电压的允许范围，一种简便的方法是在基本源耦对两个差分管的源极上个串联一个电阻，从而引入负反馈作用，其结果，一方面使传输特性的非线性失真减小，在一定非线性误差条件下，差模输入电压范围增加；另一方面，也使该输入级的跨导增益值降低。该电路的缺点是当负极性电源电压确定后，电阻上的直流电压降将使尾电流源的工作电压范围减小，导致该差动跨导输入级的负向共模电压允许范围减小，数值越大，负向共模允许范围减小越多。同时，跨导增益值也越小，近似为1/。除此之外，还可以通过辅助源耦对引入反馈来改善传输特性的线性范围。其基本原理如图2.7所示，图中，M1,M2组成输入源耦对，M3 ,M4组成辅助源耦对；输入源耦对尾电流是2，辅助源耦对的尾电流是2；M1, M2的跨导参数是,M3、M4的跨导参数是,M1-M4的开启电压均衡VT。在图2.7所示电路中，差模电压将被分为两部分，即：, (2.3.6) (2.3.7)式中, 代表电压信号作用下的电流变化量,由上式可得: (2.3.8) (2.3.9)图2.7 带辅助源耦对的跨导运算放大器由上可见，加入辅助源耦对后，作用在输入源耦对栅一源上的净输入电压低于外加信号，具有负反馈作用效果。反馈作用的形成过程是:外加信号在输入源耦对引起电流变化量；经M5, M6电流镜转移到辅助源耦对，并乘以传输比；辅助源耦对再将电流变化量转换为电压信号V2，并起负反馈作用。输入源耦对的电流变化量经M5，M7电流镜移位，与偏置电流源相减后输出，输出电流为: （2.3.10）可以看出，加入辅助源耦对后，引起非线性误差的平方项降低为基本源耦对的1/,A值越大，传输特性线性程度的改善越显著。为加大A值，可加大或减小。与此同时，加入辅助源耦对将使电路的跨导增益值降低为基本源耦对的1/(1+A )。当增大或减小值后，辅助源耦对的共模电压允许范围会降低，因为M3与M4的静态栅一源电压将加大，使偏置电流源2的工作电压范围减小。该电路的主要特点是传输特性的线性范围宽，允许差模信号大，但跨导增益值很小。234 CMOS型OTA的端口扩展特性由于跨导放大器内部采用电流信号处理模式, 使其输入端、输出端便于灵活扩展。这一为常规电压型运放难以具备的特点使其性能特色增加且应用更方便。2341 输入端结构原理图2.8(a)、(b)分别为CMOS 基本型TE 和OTA 的电路图, 均有一对输入端, 称其为常规TE和常规OTA 。电路中,M1/M2 组成源耦差分输入级, 实现电压-电流变换,IB为其偏置电流。图2.8(a )电路,M 3/M4 组成的电流镜作负载, 实现非对称单端输出；图2.8(b )电路,M 3/M4、M 5/M6、M 7/M8 组成3 个镜象电流源, 实现对称单端输出。若上述镜象电流源的电流增益均为1, 则两电路的输出电流均为 (2.3.11) 且跨导增益值可由改变IB 值加以调节。值得注意的是: 两电路中A 、B 两节点的下方均为M1、M2 的漏极高阻抗输出端；而A 、B 两节点的上方或为栅-漏短接的CMOS 管, 或为外接低阻负载 , 均为低阻抗端； 若将多个并联输入级差分对管的漏极高阻端在A 、B 两节点分别并联, 则可实现多输入级漏极电流的相加, 构成多输入端跨导型放大器。图 2.8 CMOS 的基本跨导运算放大器图2.9(a)、(b) 所示分别为具有两对输入端的TE 和OTA 电路，图中M 11/M21、M12/M22分别组成两个差分输入级, 、为各输入级偏置电流。 多于两个输入级的电路结构, 依此类推，可见CMOS 跨导放大器的输入端扩展原理是: 在内部电路设置低阻抗节点, 将多个输入级的高阻抗电流端并联, 再经公共电流镜输出。2342 多输入端的基本性能多输入端OTA (TE) 的基本性能是: 输出电流受控于多端输入电压信号的线性组合, 描述公式 (2.3.12) (2.3.13)图 2.9 多输入端的跨导运算放大器式中: 为输入端(对) 数目； 为各输入级对应的分跨导增益； 为增益系数, 由输入级晶体管尺寸和工艺参数决定。下面分析增加输入端数目对OTA (以及TE) 几个主要性能参数的影响, 包括差模电压允许范围、传输特性线性范围和共模输入(正向与负向) 允许范围。 讨论中假设: 输入端(对)数目为, = 1为常规OTA； 各输入级电路参数及偏置电流分别对应相同； 同一输入级的两差分晶体管理想对称。 差模输入电压允许范围| |根据CMOS管在饱和区的一级近似方程, 经推导, 图2.8中M1、M2 漏极电流与差模输入电压的关系式为 (2.3.14)式中: , 为本征导电因子,、 为沟道宽、长尺寸, = 。 由式(2.3.14)得到当一管电流达最大值 ,另一管电流为零时的差模电压允许范围是| | (2.3.15)当1时, 由于各输入级偏置电流均为 , 且彼此独立,则各输入级的差模电压允许范围与式(2.3.14)相同, 不受 值大小的影响。传输特性线性范围跨导型放大器在应用中大多处于开环或非深度负反馈状态, 其传输特性的线性范围将决定系统的动态范围和失真程度, 因此成为重要性能参数之一。当 = 1且电流镜增益为1时, 输出电流，经推导, 与之间直流传输特性的方程式为= (2.3.16)式(2.3.15)具有非线性函数关系, 在满足2/条件下, 二者呈近似线性关系, 即： = (2.3.17)若规定式(2.3.15)中 项引起的相对非线性误差不大于1.0% , 则给出 的允许值为| = 0.14 (2.3.18)一般, 取式(2.3.17)决定的 值作为传输特性的线性范围|，当1 时, 在各输入级对称条件下, 各级对输出电流的贡献仍由式(2.3.16) 决定, 各输入端 的线性允许范围仍然决定于式(2.3.18)。因此, 输入端数目增加不影响传输特性的线性范围。共模输入电压允许范围对1 情况, 当正向共模信号(=) 增长到 时, 在图2.9(b)中,输入端开始脱离饱和区, 进入可变电阻区, 此时有下列关系 = = (2.3.19) (2.3.20) =+ | （2.3.21)由式(2.3.18) (2.3.19)可得 = -|+ (2.3.22)式中: 、分别为M 5 (同理M 4) 跨导参数及开启电压, 为M 11 (同理M21) 开启电压。由式(2.3.20)看出, 值增大,M5 (M4) 的源极电流及源-栅电压将增加, 导致正向共允许范围的减小。负向共模电压允许范围由各输入极偏置电流源 的工作状态决定。 由于各输入级偏置电流源彼此独立, 互不影响, 负向共模电压允许范围将与值大小无关。2.3.4.3多输出端的结构原理OTA 的输出级由电流镜组成, 在电流镜电路中,1个基准电流可带动多个输出电流, 据此,OTA 的输出端可方便地扩展为多个并联。各输出端的输出电压相互隔离, 输出电流可以同相或反相。两输出端电流相位相反，那么输出电流分别为： (3.3.23) (3.3.24)该电路被称作全平衡双端输出方式, 这种集成器件, 在全集成模拟滤波器中有重要应用价值11。如果把输出级镜象电流源的电流增益设计为不同值，那么值就可以彼此不同，但前面讨论的与输入级相关的性能参数不受输出端数目的影响。24 小结本章是对基本的跨导型运算放大器的电路结构进行细致的分析，从中包括双极型的基本结构原理框图和单元电路的分析，附带介绍了双极型集成放大器LM13600。同时还对CMOS的跨导运算放大器的性能和不足之处进行讨论，同时提出了一些改进的方法。最后，还对其端口扩展特性进行讨论。61山东科技大学学士学位论文 VOA的电压放大器简述3 VOA的电压放大器简述31基本的反相电压放大器由LM741CH构成的基本反相放大器如下图3.1所示图3.1 反相电压放大器输入电压通过电阻的作用于集成运放的反相输入端，故输出电压与反相。电阻跨接在集成运放的输出端和反相输入端，引入负反馈。同相输入端通过电阻R接地，R为补偿电阻，以保证集成运放的输入级差分放大电路的对称性，其值为R1= /根据节点电流方程 ，得出 （3.1）从输入端和地之间看进去的等效电阻等于输入端跟虚地之间的等效电阻，理想运放工作在非线性区，输入电阻为无穷大，但由于电路引入负反馈，输入电阻是/（1+AF），因而输入电阻就很小，为了增大输入电阻，必须增大，而与集成运放的输入电阻等数量级时，那比率系数就会发生很大的变化，其值不仅仅决定于反馈网络。输出电阻接近于零。从下面图3.2的仿真结果中可以看出，信号的放大能力有限，特别是对高频信号，它的增益出现严重的衰减，说明电压型运算放大器的高频放大能力很弱。这是由于电压型运算放大器的增益带宽的乘积是个常数。所以当频率增大增益就减小。 图 3.2 电压型运放的电压放大器的幅频相位特性从仿真图中，很容易看出输出电压与输入电压的关系，从图中可以读出输出电压与输入电压的相位差180，说明输出电压与输入电压反相，还可以看出带宽范围在50KHZ左右，带宽比较窄。32基本的同相电压放大器由LM741CH构成的同相电压放大器与反相电压放大器类似，如图3.3 所示图 3.3 同相电压放大器同样根据“虚短”和“虚断”的概念，得出 （3.2）从等式中可以看出，输出电压大于输入电压。输入电阻这时就可以认为无穷大，输出电阻就可以认为是零，增益等于（1+/），从等式看电压可通过调节的比率调节，虽然同相电压放大器具有高输入电阻，低输出电阻的优点，但因为集成运放有共模输入，共模信号的影响很大。通过仿真来看同相电压放大器的特性。仿真结果如下图3.4所示图3.4 同相电压放大器的幅频相位特性曲线同样在同相电压放大器的幅频相位特性曲线中看出，它的带宽跟反相的电压放大器相等带宽时，同相放大器的增益比反相放大器高，但它的频带也很窄，同样，要放大高频信号就得牺牲增益。输出电压与输入电压同相。电压型运放的放大器存在的主要缺点就是，它的频带范围比较窄，高频放大能力很弱，而且增益改变不连续，是个固定值，虽然可以外加控制电路来实现，但还是很不灵活。而OTA的电压放大器克服了这些缺点，这将在下一章中详细论述。33 小结 本章主要介绍了基本的VOA电压放大器，从仿真分析中看出这种电压放大器存在的局限，提出OTA的电压放大器的设计。山东科技大学学士学位论文 基于OTA的电压放大器的设计4 基于OTA的电压放大器的设计41基本的OTA电压放大器跨导运算放大器构成的基本反相及同相放大器如下图4.1(a)为反相放大器，(b)为同相放大器，理想情况下，对于反相放大器，其电压增益和输出电阻表达式分别为：， (4.1.1)对于同相放大器，其电压增益和输出电阻分别为：， (4.1.2) 由式4.1.1和4.1.2可见，电压增益与跨导值成正比。若将两个 图 4.1 基本跨导运算放大器输入信号电压分别作用于跨导运算放大器的同相和反相输入端，则可方便的实现差动式放大器。理想条件下，基本放大器的输出电阻为，带宽为无穷大。若考虑到实际跨导运算放大器的有限输出电阻，输出电容C对放大器性能的影响，以反相放大器为例说明如下：(1) 的影响，考虑跨导运算放大器的输出电阻后，反相放大器的电压增益和输出电阻分别为：，它们均比各自的理想值有所降低。(2)的影响，包含跨导运算放大器输出电容的反相放大器的等效电路如下图4.2所示，此时，电压增益和输出阻抗的S域表达式为： （4.1.3） (4.1.4)式中，=，为理想电压增益。电压增益和输出阻抗的频率表达式分别为： (4.1.5) (4.1.6)上式表明电压增益随而变化，具有低通特性。图4.2 考虑Co的反相放大器的等效电路其幅频特性曲线如下图4.3所示反相放大器的-3dB带宽为： (4.1.7)（3）的影响，对双极型OTA，取最大输出电压=，而且有图 4.3 幅频特性曲线=19.2,则可写出由决定的输出电压范围表达式为： (4.1.8)由于 ， (4.1.9)可写作 (4.1.10)则输出电压范围, 输入电压范围是，在满足=条件下，OTA基本电压放大器的输出电压允许范围与值成正比，这是因为分别与和成正比的缘故。但是，输出电压允许范围是个常数（约为50mV），因为当变化的（即）值时，值成正比变化，输入电压的允许范围不能改变。也可将图中的电阻R用OTA模拟接地电阻代替，则可构成全OTA基本电压放大器如图4.11（a），（b）所示。上述的电压放大器的主要缺点是输出电阻高，可采用增加缓冲器的方法来降低输出电阻，输出缓冲级可以用常规的电压运算放大器实现，也可用带缓冲级的跨导型运算放大器完成。现在通过仿真的输出波形曲线和幅频特性曲线，来看输入电压的范围和失真的分析，以及带宽和增益的分析。基本OTA的同相输入电路连接图如下图4.4所示：图4.4 基本OTA的电路图首先观察输出波形随着输入电压的变化变化的趋势，当输入电压为零时，输出的波形如下图4.5所示：图4.5输出失调电压波形当输入电压为10mV时，输出的波形如下图4.6所示：图4.6输入电压10mV的输出电压波形当输入电压为50mV时，输出电压的波形如下图4.7所示：图4.7输入电压50mV的输出电压波形当输入电压为100mV时，输出电压的波形如下图4.8所示：图4.8输入电压100mV的输出电压波形图4.5说明输出的失调电压大约在100mV左右，而从图4.6,图4.7,图4.8中看出输入电压不能太大，否者就会失真，输入电压的最大值在50mV以下，那么基本的OTA电压放大器就不能满足大信号的放大，而且，输入电压越大，输出的失真就越严重，从图4.8的变化趋势可以看出，最后输出的波形将会呈现一个方波形式。其次观察基本OTA的幅频特性，其幅频特性曲线如下图4.9所示：图4.9 幅频特性曲线从幅频特性特性曲线中，可以看出基本的跨导型电压放大器的带宽很宽，大约在2.5MHZ左右，所以跨导型运算放大器具有很宽的带宽，还可见它的增益在44dB左右，可见它的增益值还是很大，那么它对高频信号的放大能力很强。再次通过改变跨导增益值来看带宽的变化，取增益增大时，即控制电压增大时幅频特性曲线如下图4.10所示：图4.10 增益增大的幅频曲线从两个幅频特性曲线中，可以看出当增益增大时，带宽仍然在2.5MHZ左右。所以可以得出如下的结论，跨导型集成运算放大器的带宽和增益没有相关的关系。42全OTA电压放大器图4.11(a), (b)分别为反相和同相电压放大器，第二个OTA的输入电阻(接地模拟电阻)为1/，用作第一个OTA的负载电阻。对反相放大器，电压增益和输出电阻分别为:Av= (4.2.1) (4.2.2)对同相放大器，Av的符号与反向放大器相反而数值相同，Ro则与之相图4.11 全OTA 跨导运算放大器同。上述的全OTA电压放大器的特点是：电压增益可经改变或，或与二者加以调节，其调节自由度增多，可调节范围加大；电路中不包含无源元件，增加适宜单片集成；电压增益由与的比值决定，由环境温度或工艺参数变化引起与的数值偏差可以互相补偿，保持电压增益的稳定。全OTA的电路连接图如下图4.12所示：图4.12 全OTA的电路图首先通过与上述相同仿真分析，来比较基本的OTA电压放大器与全OTA电压放大器的特性。取相同的跨导运放，观察其幅频特性曲线图4.13图4.13 全OTA幅频特性曲线可以明显的看出带宽比基本OTA的带宽要高很多，它的带宽可以做到300MHZ以上。其次观察输出波形随输入电压的变化趋势，来看输入电压范围。当输入电压为零时，输出电压的波形下图4.14所示：图4.14 全OTA输出失调电压当输入电压取10mV，输出电压的波形如下图4.15所示：图4.15 全OTA输入电压10mV的输出电压波形当输入电压取50mV，输出电压的波形如下图4.16所示：图4.16 全OTA输入电压50mV的输出电压波形当输入电压取100mV，输出电压的波形如下图4.17所示：图4.17 全OTA输入电压100mV的输出电压波形图4.14显示输出的失调电压大约在7mV左右，所以它的线性度比较好，失真就小，放大器的放大信号的精确度提高，对作为一些精密仪器输入放大应用非常有利。而从图4.15，图4.16，图4.17中看出输入电压不能太大，否者就会失真，输入电压的最大值在50mV以下，那么全OTA电压放大器就不能满足大信号的放大，而且，输入电压越大，输出的失真就越严重，从图变化趋势可以看出，最后输出的波形也将会呈现一个方波形式。比较基本OTA电压放大器与全OTA的电压放大器波形输出曲线，可以看出，全OTA的输出失调电压小，输入电压的范围大，而且通频带宽，从结构上看，它的输出电阻可调，增益可调范围就广。43带扩大输入电压范围及调零措施的电压放大器增益可调的OTA 电压放大器中的OTA工作于开环状态，由于OTA 器件传输特性范围很小，导致电压放大器的线性放大范围很小，从上面的仿真中已经可以看出，为了扩大OTA电压放大器在维持线性放大条件下的输入信号允许范围，通常采用在输入端加接电阻分压器的方法，图4.18所示为可扩大输入范围及补偿输出失调的反相放大器的电路。输入电压信号经R和（1-）R构成的电阻分压器作用于OTA的反相输入端，这里是小于1的系数，直流电压V1经R及（1-）R电阻分压器衰减后，作用于同相输入端，同相端电压极性及数值可以变化，故用作调零（补偿输出失调）。两个输入端对“地”的电阻应尽可能保持平衡，适当选取分压系数，可使VI工作在OTA的线性输入范围之内。图4.18带扩大输入范围及调零措施的反相放大器图4.18电路电压增益理想表达式为： （4.3.1）输出电压Vo可写作 ： （4.3.2）由式4.3.1得的表达式为： （4.3.3）取=19.2=19.2，代入式4.3.2,可得由决定输出电压及输入电压范围分别为 (4.3.4) (4.3.4)比较基本的电压输入范围与式4.3.4输入电压范围，由于1，所以后者的输入电压范围大，但图4.18电路输出电压范围并不能扩大，因为输出电压式中Av也包含了系数。若将图4.18电路中OTA的同项输入端与反相输入端互换，可得到相应的同相电压放大器。带扩大输入范围及调零措施的电压放大器的连接图如下图4.19所示：图4.19带扩大输入范围及调零措施的反相放大器电路图此电路跟基本OTA电路进行比较，由于理论上它的输入电压的范围要比基本OTA要大倍。采用相同的仿真分析方法，对此电压放大器的带宽，输入电压的范围和失真进行分析。首先观察输出电压随输入电压变化的趋势，当输入电压为零时，输出波形如下图4.20所示：图4.20输出失调电压波形当输入电压为100mV时，输出波形如下图4.21所示：图4.21输入电压为100mV,输出波形可以明显的看出输入电压的范围扩大，输出失调电压在168.7mV左右。比基本的OTA要大,说明扩大输入范围就会加大失真电压，外加电阻加大失真。其次对带扩大范围及调零措施的反相放大器带宽的分析，其电路的幅频特性曲线如下图4.22所示：图4.22 幅频特性曲线测的带宽大约为2.7MHZ左右，比基本的OTA的带宽要宽，这是由于调零的补偿输出失真，可工作在线性输入范围，所以带宽就相对的增大。44带缓冲输出级的电压放大器下图4.23（a）、（b）是带输出缓冲级反相放大器的两种结构。这里，输出缓冲级用常规OP-AMP组成。 图4.23 带缓冲级的反相放大器图中（a）、（b）两个电路增益和输出电阻分别为:，Ro0， (4.4.1)图4.23称作有限增益电压放大器的OTA-OPAMP结构，它比电压放大器的OPAMP-R传统结构具有较宽的频带，其原因可解释如下：设OTA为理想器件，OP-AMP具有单极点频响特性，其增益-带宽积为BW。电路中，OP-AMP均工作于闭环单位增益情况。电压放大器的频率宽度均为BW值，而与电压增益值无关，对OP-AMP-R结构的基本反相放大器，其带宽只是BW/，这里的是闭环电压增益值。图4.23（a）、（b）两个电路比较，图（a）电路中OTA的输出电容与负载电阻R及OP-AMP的输入电阻相并联，将对放大器的频响特性产生影响；图（b）电路中的OTA输出电容与OP-AMP“虚地点”的低输入电阻相并联，对频响特性的影响要小的多，可以忽略不计。这种电路的优点就是它能降低输出阻抗，对于下一级的输入有益，而且带宽还可以做的很宽。这里就不再做具体的仿真分析。45压控电压放大器的设计451 方案的提出从上面几个的OTA的电压放大器的特性的分析中，可以看出OTA的电压放大器的带宽比较宽，而且增益跟带宽相互独立，这样就可以做到对高频信号的足够的放大。所以设计的电路如图3.25所示采用跨导型集成运算放大器。由于基本的OTA的输入电压很小，对于设计一个宽带，增益可调，且输入电压范围比较大的电压放大器，就要对其电路进行改善，输入电压采用分压方法，如扩大输入电压范围及调零措施电压放大器所采用的措施，扩大带宽就要减小失真，即提高线性范围。而跨导型集成运算放大器的输出阻抗高，一般加一级缓冲级。根据这些要求选择了双极型的OTA LM13600，因为芯片本身自带一个缓冲级，而且增益可通过增益控制端Vc来调节,线性二极管偏置电流可改变线性。452 电路的分析图4.24是由LM13600构成的压控电压放大器电路，输入信号电压源经串联电阻R2变换为电流源，与线性二极管的相叠加后，经过线性化二极管PN结电流-电压变换作用，产生电压信号。电路中的Vc是增益控制电压，改变Vc可方便地调节电压增益值。调节电位器R1（1K）可使输出失调电压降至最小。为了获得最佳信噪比，偏置电流值尽量取得大一些，选取RL值为合适值，可使输出电压摆幅达到需要值。为减小输入线性化二极管引入的噪声电压，需要降低其动态电阻，可用增大二极管偏置电流方法实现，的值尽可能的大，这使二极管的动态结点电阻最小，使得当与R1相抗衡时线性传输区域达到最大，通常选用1mA。为了更好的理解线性二极管的输入偏置，把13K的电阻看成一个电流源。通过改变电阻R1，调节输入信号的幅度的优化，使得输出的失真在要求水平以下。图4.24 压控电压放大器电路的输入电阻为R2=30K，输出是个恒流源，所以可以认为输出电阻无穷大，跨导增益可以2/，当增益增大时，根据输出电压传输特性，输出电压跟增益的比值陡度就越大，线性区域就变的越小。所以增益不能取得太大。也就是不能取得太大.电路的等效电路如图4.25所示。图4.25等效电路4521等效电路的分析差分三极管对Q4和Q5形成跨导形式，集电极电流的比率定义通过差分输入电压转换作用表示： （4.5.1）差分输入电压，在25 大约26mv，和分别为三极管Q4和Q5的集电极电流，除了Q3和Q13，所有的三极管和二极管是同样的大小。Q1和Q2，二极管D1形成镜像电流，使得跟的电流和等于,+= （4.5.2）放大器偏置电流用于调节增益的引脚，小差分电压与和的接近比例可用泰勒级数大致表示为：（）/ /2 （4.5.3） q*/2=- （4.5.4）单独的和没有意义，它们必须相减，剩下的三极管和二极管形成镜像电流源，产生一个输出电流等于减去，因此，=q/2= （4.5.5）在这个条件下，放大器的跨导跟成比率。因为差分电压大大超过毫伏，所以等式（4.5.3）的效果变的很差，跨导的非线性化增强。上图4.25表明了内部二极管怎样线性化放大器转变作用，因为可以方便的假设二极管是偏置电流源，输入信号是电流的形式。既然与的和是，差分是，所以电流和可以写成如下：=/2-/2，=/2+/2 (4.5.6)既然二极管和输入三极管相同的几何参数，受电压和温度的相同的影响，下面是对的：（/2+）/（/