【文章內(nèi)容簡介】 圍是　　　　　　　　　| |≤ ()當(dāng)1時, 由于各輸入級偏置電流均為 , 且彼此獨(dú)立,則各輸入級的差模電壓允許范圍與式()相同, 不受 值大小的影響。⑵傳輸特性線性范圍跨導(dǎo)型放大器在應(yīng)用中大多處于開環(huán)或非深度負(fù)反饋狀態(tài), 其傳輸特性的線性范圍將決定系統(tǒng)的動態(tài)范圍和失真程度, 因此成為重要性能參數(shù)之一。當(dāng) = 1且電流鏡增益為1時, 輸出電流，經(jīng)推導(dǎo), 與之間直流傳輸特性的方程式為= ()式()具有非線性函數(shù)關(guān)系, 在滿足《2/條件下, 二者呈近似線性關(guān)系, 即： = ()若規(guī)定式()中 % , 則給出 的允許值為|| = ()一般, 取式()決定的 值作為傳輸特性的線性范圍||，當(dāng)1 時, 在各輸入級對稱條件下, 各級對輸出電流的貢獻(xiàn)仍由式() 決定, 各輸入端 的線性允許范圍仍然決定于式()。因此, 輸入端數(shù)目增加不影響傳輸特性的線性范圍。⑶共模輸入電壓允許范圍對1 情況, 當(dāng)正向共模信號(=) 增長到 時, (b)中,輸入端開始脫離飽和區(qū), 進(jìn)入可變電阻區(qū), 此時有下列關(guān)系　　　　　　 = = ()　　　　　　 ()　　　 =+ || （)由式()～ ()可得 = ||+ ()式中: 、分別為M 5 (同理M 4) 跨導(dǎo)參數(shù)及開啟電壓, 為M 11 (同理M21) 開啟電壓。由式()看出, 值增大,M5 (M4) 的源極電流及源柵電壓將增加, 導(dǎo)致正向共允許范圍的減小。負(fù)向共模電壓允許范圍由各輸入極偏置電流源 的工作狀態(tài)決定。 由于各輸入級偏置電流源彼此獨(dú)立, 互不影響, 負(fù)向共模電壓允許范圍將與值大小無關(guān)。OTA 的輸出級由電流鏡組成, 在電流鏡電路中,1個基準(zhǔn)電流可帶動多個輸出電流, 據(jù)此,OTA 的輸出端可方便地?cái)U(kuò)展為多個并聯(lián)。各輸出端的輸出電壓相互隔離, 輸出電流可以同相或反相。兩輸出端電流相位相反，那么輸出電流分別為： ()　　　　　　　　　 ()該電路被稱作全平衡雙端輸出方式, 這種集成器件, 在全集成模擬濾波器中有重要應(yīng)用價值[11]。如果把輸出級鏡象電流源的電流增益設(shè)計(jì)為不同值，那么值就可以彼此不同，但前面討論的與輸入級相關(guān)的性能參數(shù)不受輸出端數(shù)目的影響。2．4 小結(jié)本章是對基本的跨導(dǎo)型運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致的分析，從中包括雙極型的基本結(jié)構(gòu)原理框圖和單元電路的分析，附帶介紹了雙極型集成放大器LM13600。同時還對CMOS的跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的性能和不足之處進(jìn)行討論，同時提出了一些改進(jìn)的方法。最后，還對其端口擴(kuò)展特性進(jìn)行討論。3 VOA的電壓放大器簡述3．1基本的反相電壓放大器 反相電壓放大器輸入電壓通過電阻的作用于集成運(yùn)放的反相輸入端，故輸出電壓與反相。電阻跨接在集成運(yùn)放的輸出端和反相輸入端，引入負(fù)反饋。同相輸入端通過電阻R’接地，R’為補(bǔ)償電阻，以保證集成運(yùn)放的輸入級差分放大電路的對稱性，其值為R’[1]= //根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流方程 ，得出 （）從輸入端和地之間看進(jìn)去的等效電阻等于輸入端跟虛地之間的等效電阻，理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)，輸入電阻為無窮大，但由于電路引入負(fù)反饋，輸入電阻是/（1+AF），因而輸入電阻就很小，為了增大輸入電阻，必須增大，而與集成運(yùn)放的輸入電阻等數(shù)量級時，那比率系數(shù)就會發(fā)生很大的變化，其值不僅僅決定于反饋網(wǎng)絡(luò)。輸出電阻接近于零。，信號的放大能力有限，特別是對高頻信號，它的增益出現(xiàn)嚴(yán)重的衰減，說明電壓型運(yùn)算放大器的高頻放大能力很弱。這是由于電壓型運(yùn)算放大器的增益帶寬的乘積是個常數(shù)。所以當(dāng)頻率增大增益就減小。 圖 電壓型運(yùn)放的電壓放大器的幅頻相位特性從仿真圖中，很容易看出輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系，從圖中可以讀出輸出電壓與輸入電壓的相位差180176。，說明輸出電壓與輸入電壓反相，還可以看出帶寬范圍在50KHZ左右，帶寬比較窄。3．2基本的同相電壓放大器由LM741CH構(gòu)成的同相電壓放大器與反相電壓放大器類似， 所示圖 同相電壓放大器同樣根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念，得出 （）從等式中可以看出，輸出電壓大于輸入電壓。輸入電阻這時就可以認(rèn)為無窮大，輸出電阻就可以認(rèn)為是零，增益等于（1+/），從等式看電壓可通過調(diào)節(jié)的比率調(diào)節(jié)，雖然同相電壓放大器具有高輸入電阻，低輸出電阻的優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)榧蛇\(yùn)放有共模輸入，共模信號的影響很大。通過仿真來看同相電壓放大器的特性。 同相電壓放大器的幅頻相位特性曲線同樣在同相電壓放大器的幅頻相位特性曲線中看出，它的帶寬跟反相的電壓放大器相等帶寬時，同相放大器的增益比反相放大器高，但它的頻帶也很窄，同樣，要放大高頻信號就得犧牲增益。輸出電壓與輸入電壓同相。電壓型運(yùn)放的放大器存在的主要缺點(diǎn)就是，它的頻帶范圍比較窄，高頻放大能力很弱，而且增益改變不連續(xù)，是個固定值，雖然可以外加控制電路來實(shí)現(xiàn)，但還是很不靈活。而OTA的電壓放大器克服了這些缺點(diǎn)，這將在下一章中詳細(xì)論述。3．3 小結(jié) 本章主要介紹了基本的VOA電壓放大器，從仿真分析中看出這種電壓放大器存在的局限，提出OTA的電壓放大器的設(shè)計(jì)。4 基于OTA的電壓放大器的設(shè)計(jì)4．1基本的OTA電壓放大器(a)為反相放大器，(b)為同相放大器，理想情況下，對于反相放大器，其電壓增益和輸出電阻表達(dá)式分別為：， ()對于同相放大器，其電壓增益和輸出電阻分別為：， () ，電壓增益與跨導(dǎo)值成正比。若將兩個 圖 基本跨導(dǎo)運(yùn)算放大器輸入信號電壓分別作用于跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端，則可方便的實(shí)現(xiàn)差動式放大器。理想條件下，基本放大器的輸出電阻為，帶寬為無窮大。若考慮到實(shí)際跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的有限輸出電阻，輸出電容C對放大器性能的影響，以反相放大器為例說明如下：(1) 的影響，考慮跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的輸出電阻后，反相放大器的電壓增益和輸出電阻分別為：，它們均比各自的理想值有所降低。(2)的影響，此時，電壓增益和輸出阻抗的S域表達(dá)式為： （） ()式中，=，為理想電壓增益。電壓增益和輸出阻抗的頻率表達(dá)式分別為： () ()上式表明電壓增益隨而變化，具有低通特性。 考慮Co的反相放大器的等效電路反相放大器的3dB帶寬為： ()（3）的影響，對雙極型OTA，取最大輸出電壓=，而且有圖 幅頻特性曲線=,則可寫出由決定的輸出電壓范圍表達(dá)式為： ()由于 ， ()可寫作 ()則輸出電壓范圍, 輸入電壓范圍是，在滿足=條件下，OTA基本電壓放大器的輸出電壓允許范圍與值成正比，這是因?yàn)榉謩e與和成正比的緣故。但是，輸出電壓允許范圍是個常數(shù)（約為50mV），因?yàn)楫?dāng)變化的（即）值時，值成正比變化，輸入電壓的允許范圍不能改變。也可將圖中的電阻R用OTA模擬接地電阻代替，（a），（b）所示。上述的電壓放大器的主要缺點(diǎn)是輸出電阻高，可采用增加緩沖器的方法來降低輸出電阻，輸出緩沖級可以用常規(guī)的電壓運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，也可用帶緩沖級的跨導(dǎo)型運(yùn)算放大器完成?，F(xiàn)在通過仿真的輸出波形曲線和幅頻特性曲線，來看輸入電壓的范圍和失真的分析，以及帶寬和增益的分析。： 基本OTA的電路圖首先觀察輸出波形隨著輸入電壓的變化變化的趨勢，當(dāng)輸入電壓為零時，：當(dāng)輸入電壓為10mV時，：當(dāng)輸入電壓為50mV時，：當(dāng)輸入電壓為100mV時，：，,，否者就會失真，輸入電壓的最大值在50mV以下，那么基本的OTA電壓放大器就不能滿足大信號的放大，而且，輸入電壓越大，輸出的失真就越嚴(yán)重，最后輸出的波形將會呈現(xiàn)一個方波形式。其次觀察基本OTA的幅頻特性，： 幅頻特性曲線從幅頻特性特性曲線中，可以看出基本的跨導(dǎo)型電壓放大器的帶寬很寬，所以跨導(dǎo)型運(yùn)算放大器具有很寬的帶寬，還可見它的增益在44dB左右，可見它的增益值還是很大，那么它對高頻信號的放大能力很強(qiáng)。再次通過改變跨導(dǎo)增益值來看帶寬的變化，取增益增大時，： 增益增大的幅頻曲線從兩個幅頻特性曲線中，可以看出當(dāng)增益增大時。所以可以得出如下的結(jié)論，跨導(dǎo)型集成運(yùn)算放大器的帶寬和增益沒有相關(guān)的關(guān)系。4．2全OTA電壓放大器(a), (b)分別為反相和同相電壓放大器，第二個OTA的輸入電阻(接地模擬電阻)為1/，用作第一個OTA的負(fù)載電阻。對反相放大器，電壓增益和輸出電阻分別為:Av= () ()對同相放大器，Av的符號與反向放大器相反而數(shù)值相同，Ro則與之相 全OTA 跨導(dǎo)運(yùn)算放大器同。上述的全OTA電壓放大器的特點(diǎn)是：