【文章內容簡介】 作電流的變化，使放大器的跨導發(fā)生變化，從而使電路的增益發(fā)生變化。其功能是將輸入電壓轉換為電流輸出，并通過外加偏壓控制運放的工作電流，從而使它的輸出電流在較大范圍內變化。若將外加偏壓進行編程，則構成 OTA的程控方式。 跨導集成運算放大器 OTA的原理 : OTA 的電路符號如圖 所示。 “”號代表反相輸入 端， “+”代表同相輸入端， Iabc是用于調變 OTA 跨導的外部控制電流。 圖 OTA的符號 理想 OTA 的傳輸特性是 o m d m p nI =G V =G (V V ) （ ） 其中， Vd 是差模電壓， Vp 、 Vn 分別是同相端與反相端電壓。 Gm 是跨導，它是外部控制電流 Iabc 的函數(shù)。理想 OTA 的輸入和輸出阻抗都是無窮大。 無源梯形高階高通濾波器的模擬設計 5 圖 OTA的結構圖 圖 是 OTA 的框圖結構。 T1 和 T2 組成差動跨導放大 器，其輸入是電壓，輸出是電流，尾電流一般都由直流電流源提供，即采用衡流偏置。與此不同，自適應偏置的偏置電流不是恒定的直流電流，而是由一個或一個以上的信號控制的。自適應偏置的應用很多，例如， NPN 晶體管射隨器的負向輸出幅度與其靜態(tài)偏置電流有關，要提高負向輸出幅度必須增大靜態(tài)偏置電流，而增大靜態(tài)偏置電流意味著增大電路的功耗。如果采用自適應偏置，使射極跟隨器的偏置電流受負向輸出幅度控制，負向輸出幅度越大，偏置電流也越大，就能很好地解決這個矛盾。 T1 的電流經電流鏡 CM2 和 CM3 轉換成 I3， T2 的電流經電流鏡 CM4 轉換成 I4。當 Vd=VpVn﹥ 0 時， I2﹥ I1， I4﹥ I3， Io 為正（向外流）；反之，當 Vd﹤ 0 時， Io 為負（向里流）。如果三個電流鏡的電流傳輸比都等于 1，則 OTA 的跨導等于差分對的跨導，它由 Iabc 控制。 寄生影響和較大的參數(shù)容差是 OTA 濾波器的缺點，因此，有必要在芯片上加入調節(jié)系統(tǒng)以補償技術上的缺陷，通過調節(jié)轉移函數(shù)的參數(shù)，使芯片上的調節(jié)系統(tǒng)成功地調節(jié)轉移函數(shù)的極點幅度，這樣就可以使 OTA 濾波器達到更好的性能。 OTA 濾波器一般在同一芯片上都具有自調節(jié)系統(tǒng)。 跨導運算放大器分為雙極型和 MOS型兩種，市售 的商品 OTA都是雙極型的，如LM3080等，而在集成系統(tǒng)中用于模擬信號處理的 OTA則主要是 MOS型的。相對于雙極型跨導運算放大器而言， CMOS跨導運算放大器的增益值較低，增益可調范圍較小，但它的輸入阻抗高、功耗低，容易與其它電路結合實現(xiàn)全 CMOS集成系統(tǒng)。 在大多數(shù)文獻中， OTA 器件都被作為電壓模式元器件使用，實現(xiàn)的各種濾波電路的性能優(yōu)于由傳統(tǒng)的電壓模式器件所構成的電壓模式濾波器，其傳遞函數(shù)都是按傳送電壓比給出的，即濾波電路輸入信號和輸出信號均為電壓信號。實際上，根據(jù) OTA性能和電路結構可以知道， OTA是電流輸出器件，將它作為電流模式器件處理更為適宜。在本課題中， OTA將作為電流模式器件來進行濾波器設計。 無源梯形高階高通濾波器的模擬設計 6 跨導運算放大器是一種電壓輸入、電流輸出的電子放大器。由跨導運算放大器和電容所構成的 OTAC有源濾波器電路的研究是現(xiàn)代化濾波器領域一個極為活躍的課題。這是因為跨導 電容濾波器具有容易設計、電路簡單、便于集成、參數(shù)可調等突出優(yōu)點。OTAC濾波器有著如下優(yōu)點： ⑴ 良好的高頻性能： OTA可以工作在開環(huán)狀態(tài)，濾波器頻率可以擴展到高頻，其工作頻段可以達到 1000MHz甚至更高，而典型的電壓運算放大器的帶寬僅為 1MHz。 ⑵ 具有電控能力： OTA的跨導增益本身作為設計參數(shù)出現(xiàn)在濾波器的設計中，而跨導參數(shù)經外部電壓或電流控制，因而 OTAC濾波器可實現(xiàn)電子控制。 ⑶ 電路簡單、適于集成：研究表明， OTA功能強大，可以它來設計幾乎所有的線性和非線性電路，且電路相對簡單。 ⑷ 與 MOSVLSI工藝兼容： OTAC濾波器可以完全用 MOS工藝制造。 跨導運放 OTA 的應用 跨導運算放大器的應用非常廣泛，主要用途可以分為兩方面。一方面，在多種線性和非線性模擬電路和系統(tǒng)中進行信號運算和處理，其中一個重要應用領域是連續(xù)時間模擬濾波 器；另一方面，在電壓信號變量和電流模式信號處理系統(tǒng)之間作為接口電路，將待處理的電壓信號變換為電流信號，再送入電流模式系統(tǒng)進行處理。其應用電路名目繁多，但是從原理上看，主要有以下幾種類型： (1) 輸出量是電流，這使得它特別適合構成積分器、回轉器和有源濾波器。因為在這些電路中，用電流進行必要的信號處理和運算比用電壓信號簡便得多。 (2) 輸出電阻很高，當輸出端開路或接高阻負載時，具有與電壓型運算放大器類似的高電壓增益特性。這時，若加入負反饋形成閉環(huán)電路，可構成類似電壓型運算放大器的應用電路，如電壓跟隨器、電壓 比例器等。 (3) 增益與外偏置電流成線性關系，若將控制電壓變換成外偏置電流，則可設計各種壓控電路，如壓控放大器、壓控振蕩器、壓控濾波器等。 (4) 若將跨導運算放大器的外偏置控制端作為另一個信號輸入端，則可用來設計兩個輸入信號聯(lián)合作用的電路，如模擬乘法器、幅度調制器等。 (5) 外偏置控制端加入數(shù)字信號對主信號具有選通作用，使其處于開、關狀態(tài)。跨導運算放大器的這一性能可用來設計采樣 ─保持器、數(shù)據(jù)選擇器、脈沖發(fā)生器等。 總之， OTA 像運算放大器一樣，也是一種通用器件。 (1) 增益可控放大器 用 OTA作電壓放大的電路如圖 a）所示。 OTA的輸出電流 無源梯形高階高通濾波器的模擬設計 7 imnPm VGVVGI ??? )(0 （ ） 所以 iLmL VRGRIV ?? 00 （ ） 電壓增益為 LmRG ，它可由外電流 Iabc控制。 a） b） 圖 增益可控的電壓放 大器 圖 a）所示的電壓增益與負載有關。這是因為理想 OTA具有無窮大的輸出電阻，屬于理想的恒流源輸出。要克服這個缺點，可在圖 a）的后面接一個由運算放大器組成的電流 ─電壓變換器，如圖 b）所示。運算放大器的閉環(huán)輸出電阻近似等于零，是很理想的電壓源輸出，所以電壓增益與負載 RL無關。 由圖 b）可知 imL RVGRIV ???? 00 （ ） 電壓增益等于 RGm? 。 (2) 積分器 積分器電路如圖 ，它由一個 OTA和一個電容組成。 圖 積分器 由圖可知 （ ） 所以 S域的傳輸函數(shù) （ ） sCGmsVi sVosH ?? )( )()(sCGmVisCIoVo ??無源梯形高階高通濾波器的模擬設計 8 其時域的特性為 （ ） 即輸出電壓與輸入電壓的積分成正比，積分時間常數(shù)等于 mGC/ 。 (3) 可變電阻器 由 OTA組成的可變模擬電阻器如圖 。因為理想 OTA的輸入電阻無窮大，輸入電流為零，所以 iim IVGI ????0 （ ） 因而從輸入端口視入的電阻為 GmIiViRi 1?? (） 等效電阻與跨導成反比，因而阻值可由 Iabc控制。 圖 ，而圖 ，即等效電阻兩端都可以不接地。 圖 可變電阻器 圖 浮置式可變電阻 設兩個 OTA 的跨導相同，即 mmm GGG ?? 21 ，且它們的輸入電流為零，則 )( 2111 VVGII mo ???? （ ） 12122 )( IVVGII mo ???? （ ） 所以從輸入端視如的等效電阻為： mi GIVVR 1121 ??? （ ） (4) 一階低通濾波器 一階低通濾波器如圖 a）所示。 R和 C的并聯(lián)阻抗為 sRCRsCR sCRZ L ???? 11/ （ ） ??? dttViCGmVo )(無源梯形高階高通濾波器的模擬設計 9 所以 ， （ ） 傳輸函數(shù)為 （ ） 該一階低通濾波器有一個負實極點， RCp /1?? 。圖 b）是其傳輸特性曲線，低頻增益為 RGm ， 3dB帶寬 RCdB /13 ??? 。低頻增益與 mG 有關，因而可由 Iabc調節(jié)。3dB帶寬由電阻 R和電容 C來調節(jié)，而且增益和帶寬是獨立的，即用 Iabc調節(jié)低頻增益時 3dB帶寬不受影響。 a） 一階低通濾波器 b） 幅頻特性 圖 一階低通濾波器 用圖 ，能得到更適于集成的一階低通濾波器，如圖 a）所示。 由式（ ）知，從電容 C向右看的電阻為 2/1 mG ，代入式子（ ），得 （ ） 該一階低通濾波器也有一個負實極點， CGp m /2? ，幅頻特性曲線如圖 b）所示。 a）電 路圖 b）幅頻特性 圖 不用電阻的一階低通濾波器 在實際工作中，可以先通過調 Iabc2，來改變 2mG ，使 3dB帶寬等于設計值，再通過調 Iabc1來改變 1mG ，以得到所需要的低頻電壓增益。 圖 ，它只有一個 OTA和一個電容。 imLoo VsR CRGZIV ??? 1sR CRGsV sVsH mio ??? 1)( )()()/(1 1)( )()( 221 mmmio GsCGGsV sVsH ???無源梯形高階高通濾波器的模擬設計 10 圖 固定增益的低通濾波器 由圖可得