跨导运算放大器.doc

跨导运算放大器1 跨导运放的基本概念及应用原理11.1 概述11.2 跨导运算放大器的电路22 主要参数指标31 跨导运放的基本概念及应用原理1.1 概述从网络角度看，电子放大器是一种线性受控源，按照控制量，被控制量是电压还是电流进行划分，存在四种受控源，及人们熟知的电压控制电压源(VCVS)、电压控制电流源(VCCS)、电流控制电流源(CCCS)和电流控制电压源(CCVS)，与之对应的电子放大器也应该有四种类型，即电压型、跨导型、电流型和跨阻型。这四种放大器的关系是各有所长，互相补充，共同发展，形成一个完整的电子放大器家族。跨导运算放大器(Operational Transconductance Amplifier，简称OTA)是一种电压输入，电流输出的电子放大器，增益为跨导(gm)。其本质是线性电压控制电流源，具有下列特点： (1) 输入电压控制输出电流，开环增益是跨导，输入级采用外偏置方式，改变外偏置电流可以实现增益连续调节。 (2) 外偏置端如果加入数字信号可以起选通(或称门控)作用，实现对主信号通道的开、关状态。 (3) 电路结构简单、频带宽、高频性能好，而且可以灵活的设计多输入端、多端输出端电路。跨导运算放大器的应用非常广泛，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，其中一个重要应用领域是连续时间模拟滤波器；另一方面，在电压信号变量和电流模式信号处理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。其应用电路名目繁多，但是从原理上看，主要有以下几种类型: (1) 输出量是电流，这使得它特别适合构成积分器、回转器和有源滤波器。因为在这些电路中，用电流进行必要的信号处理和运算比用电压信号简便得多。 (2) 输出电阻很高，当输出端开路或接高阻负载时，具有与电压型运算放大器类似的高电压增益特性。这时，若加入负反馈形成闭环电路，可构成类似电压型运算放大器的应用电路，如电压跟随器、电压比例器等。 (3) 增益与外偏置电流成线性关系，若将控制电压变换成外偏置电流，则可设计各种压控电路，如压控放大器、压控振荡器、压控滤波器等。 (4) 若将跨导运算放大器的外偏置控制端作为另一个信号输入端，则可用来设计两个输入信号联合作用的电路，如模拟乘法器、幅度调制器等。 (5) 外偏置控制端加入数字信号对主信号具有选通作用，使其处于开、关状态。跨导运算放大器的这一性能可用来设计采样一保持器、数据选择器、脉冲发生器等。1.2 跨导运算放大器的电路跨导运算放大器的符号如图1所示。其中、分别为同相与反相输入电压，输入级的MOS晶体管工作在饱和区，IR为偏置输入电流，IO为输出电流： (1)其中，为跨导运算放大器跨导增益因子，其值由运算放大器的电路结构、COMS管的几何尺寸和工艺参数决定。理想跨导放大器的条件是输入和输出电阻无穷大。图1跨导运算放大器符号图2为一种对称式的COMS跨导运算放大器的电路图。其中，M1、M2组成基本差分跨导输入级，完成电压电流变换；M3外加偏置电压提供尾电流Iss，并控制其增益值；M5和M6为PMOS电流镜、M7和M8、M9和M10组成2个基本NMOS电流镜，同时也是放大器的增益级，对输入级的差动输出电流移位和导向，以便提供单端推挽式输出电流。图2 基本COMS跨导运算放大器电路用跨导运算放大器可以构成很多的模拟运算电路，常见的有：模拟电阻、模拟电压放大器、积分器、加法器、模拟乘法器、模拟电感、模拟回转器和模拟频变负电阻等。2 主要参数指标(1) 带宽与单位增益带宽。带宽的定义是放大器的增益降低到直流值的-3dB时所对应的频率。这是小信号工作时的频率特性。单位增益带宽是放大器的增益下降到0dB时所对应的频率。这也是运放小信号工作时的频率特性。(2) 共模抑制比。共模抑制比是用来衡量放大器对共模输入信号抑制能力的一个参数。理想运放只是对两输入信号中的差模部分进行放大，共模部分被相互抵消了，因此，理想的共模抑制比是无穷大，但在实际的运放中，共模抑制比CMRR是一个有限值，定义为差模电压增益与共模电压增益之比： (2)共模抑制比也是频率的函数，频率上升则CMRR下降，一般情况下CMRR均指低频而言，高精度的CMRR可达100200dB。(3) 相位裕度。为了避免放大器闭环应用时发生振荡，需要放大器开环由一定的相位裕度。(4) 输入失调电压。输入失调电压是指当运算放大器的输出电压为零时，在运算放大器的输入端之间所加的直流补偿电压。它是标志运算放大器对称性的一个重要参数，它的大小对于MOS输入级在几十毫伏左右。(5) 建立时间。这个性能参数是指当运放输入一阶跃大信号激励，输出电压达到规定精度所需要的时间。这个参数对模拟采样电路而言非常重要，因为建立时间越长，电路对模拟信号处理速度也会越慢。(6) 电源抑制比。用来衡量电源电压变化对运放输出电压变化的影响，其定义为： (3)理想情况下，运放的PSRR是无穷大的，即电源电压的变化对输出没有影响。(7) 跨导。运算放大器的跨导为输出电流与输入电压的比值。(8) 共模输入电压范围。当集成运放所加的共模电压超过一定的数值之后，共模抑制比将下降，当共模抑制比下降