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(lèi)似于常規(guī)運(yùn)算放大器。跨導(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(chēng)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。

跨導(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(chēng)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。

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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(gè)名稱(chēng)(請(qǐng)參考同義詞列表)。其中一個(gè)同義詞是OTA，或稱(chēng)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(mén)子(S)為單位，1西門(mén)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。

我們通常見(jiàn)到的運(yùn)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(yùn)放而設(shè)計(jì)的。而另一種類(lèi)型的運(yùn)放也常用于很多音頻處理場(chǎng)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(chēng)作跨導(dǎo)型運(yùn)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(hào)和工作時(shí)的基本計(jì)算公式，普通的差動(dòng)輸入端接收e1與e2兩信號(hào)，其輸出電流為這兩個(gè)信號(hào)之差乘以O(shè)TA的跨導(dǎo)值

我們通常見(jiàn)到的運(yùn)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(yùn)放而設(shè)計(jì)的。而另一種類(lèi)型的運(yùn)放也常用于很多音頻處理場(chǎng)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(chēng)作跨導(dǎo)型運(yùn)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(hào)和工作時(shí)的基本計(jì)算公式，普通的差動(dòng)輸入端接收e1與e2兩信號(hào)，其輸出電流為這兩個(gè)信號(hào)之差乘以O(shè)TA的跨導(dǎo)值gm，gm的單位是西門(mén)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(shí)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(gè)環(huán)型調(diào)制器電路。

圖下3路中，載波信號(hào)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(shí)OTA的增益升高，而且對(duì)R2的輸出電流超過(guò)R2的直接輸入信號(hào)電流，得到反相輸出的載波信號(hào)。相反的，調(diào)制電壓變?yōu)樨?fù)時(shí)OTA增益變小，R2的直接信號(hào)電流超過(guò)了OTA輸出產(chǎn)生的電流，就獲得同相載波輸出信號(hào)。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(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(lèi)似于常規(guī)運(yùn)算放大器。

兩級(jí)Miller補(bǔ)償OTA

OTA的設(shè)計(jì)一般分成兩個(gè)步驟，其一是根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果確定電路中器件尺寸并進(jìn)行仿真迭代。

上述電路是最簡(jiǎn)單的兩級(jí)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(duì)，右側(cè)是共源極輸出，其中包含一個(gè)跨接在第二級(jí)輸入與輸出之間的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。

兩級(jí)OTA設(shè)計(jì)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(kāi)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(jì)指標(biāo)，結(jié)合相應(yīng)的計(jì)算公式，以gm/Id作為參數(shù)重新表示各指標(biāo)的計(jì)算公式。

開(kāi)環(huán)直流增益：

開(kāi)環(huán)增益跟第一級(jí)、第二級(jí)電路的gm/Id值有關(guān)，同時(shí)與NMOS、PMOS的溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù) λn 和 λp 有關(guān)(假設(shè)所有MOS管的柵長(zhǎng)一致，相同類(lèi)型的MOS管溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)一樣)。

通過(guò)選取器件柵長(zhǎng)同時(shí)調(diào)整 M2 和 M6 的gm/Id值即可調(diào)整該電路的開(kāi)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(jí)電流和Miller電容限制，除此之外擺率還有可能受輸出節(jié)點(diǎn)限制，所以第二級(jí)靜態(tài)電流會(huì)取得相對(duì)大一些，保證擺率不會(huì)受到第二級(jí)偏置電流和輸出節(jié)點(diǎn)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(jí)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(mǎn)足相位裕度要求時(shí)Miller電容 Cc 滿(mǎn)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(mǎn)足： Itot ≤ 700 μA 。

參數(shù)計(jì)算

前面已經(jīng)有了各指標(biāo)的表達(dá)式，下面可以首先選取某個(gè)參數(shù)作為初始設(shè)計(jì)指標(biāo)，小目習(xí)慣以開(kāi)環(huán)直流增益做為設(shè)計(jì)起點(diǎn)。

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(shí)保持gm/Id值一致，這里為了利用之前設(shè)計(jì)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(duì)管的匹配性(輸入管取稍小的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓)，并且獲得一定的電壓增益，取 M1?2 的gm/Id=12.

通過(guò)曲線(xiàn)可以看到，滿(mǎn)足上面參數(shù)的MOS管對(duì)應(yīng)的溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)分別為： λn=0.012 和 λp=0.004 (同一類(lèi)型的器件取最大值，留出一定裕量).

經(jīng)過(guò)公式驗(yàn)證，按照上面的參數(shù)取值，開(kāi)環(huán)直流增益的手算結(jié)果大約為：109dB，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)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(jí)電路的靜態(tài)電流最小約為：21uA，第二級(jí)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(jí)電路的總靜態(tài)電流為40uA;第二級(jí)電路的總靜態(tài)電流為220uA.

通過(guò)GBW和SR的表達(dá)式，結(jié)合輸入對(duì)管的gm/Id取值，可以計(jì)算電路的SR大約為：57V/us，GBW值滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)，大約為：54MHz左右。

用調(diào)零電阻產(chǎn)生的零點(diǎn)抵消第二極點(diǎn)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(jì)算調(diào)零電阻取值約為：4K.

確定器件尺寸并仿真驗(yàn)證

按照器件gm/Id的值可以計(jì)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(jì)算，輸入對(duì)管的尺寸查表計(jì)算。

按照?qǐng)D中標(biāo)注的尺寸，對(duì)電路進(jìn)行仿真分析，分別進(jìn)行dc、tran、stb仿真，驗(yàn)證實(shí)際仿真與設(shè)計(jì)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(jì)值對(duì)比：

其中輸出級(jí)電路電流值與設(shè)計(jì)偏差較大，但是對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)影響不大，先不做調(diào)整，可以看到總體來(lái)看仿真值與設(shè)計(jì)值偏差不大。

設(shè)計(jì)結(jié)果與指標(biāo)對(duì)比

通過(guò)查看瞬態(tài)仿真結(jié)果，計(jì)算電路的壓擺率是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)并思考設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果之間的誤差來(lái)源。

仿真得到的SR約為40V/us，按照計(jì)算應(yīng)為57V/us，通過(guò)查看仿真結(jié)果，實(shí)際第一級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)電容值大約為1.1pF，按照仿真得到的電流：41.7uA計(jì)算，SR大約為：38V/us，與仿真值比較接近。

通過(guò)stb仿真驗(yàn)開(kāi)環(huán)直流增益，從仿真結(jié)果可以看到，設(shè)計(jì)的電路開(kāi)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°。