Операционный усилитель крутизны

Электрическая цепь

Схематическое обозначение OTA с дифференциальным входом. Как и стандартный операционный усилитель, он имеет как инвертирующий (−), так и неинвертирующий (+) входы; линии питания (V+ и V−); и один выход. В отличие от традиционного операционного усилителя, он имеет два дополнительных смещающих входа, I _abc и I _bias .

Операционный усилитель крутизны ( OTA ) — это усилитель , который выдает ток , пропорциональный его входному напряжению. Таким образом, это источник тока , управляемый напряжением (VCCS). Существует три типа OTA: с одним входом и одним выходом, с дифференциальным входом и одним выходом и с дифференциальным входом и дифференциальным выходом (также известный как полностью дифференциальный), ^{[1] однако в этой статье основное внимание уделяется дифференциальному входу и одному выходу. Может быть дополнительный вход для тока для управления} крутизной усилителя .

Первые коммерчески доступные интегральные схемы были произведены компанией RCA в 1969 году (до того, как ее приобрела компания General Electric ) в виде CA3080. ^[2] Хотя большинство устройств построено на биполярных транзисторах, также производятся устройства на полевых транзисторах.

Как и стандартный операционный усилитель , OTA также имеет высокоомный дифференциальный входной каскад и может использоваться с отрицательной обратной связью . ^[3] Но OTA отличается тем, что:

• ОТА выдает ток , тогда как стандартный операционный усилитель выдает напряжение .
• OTA обычно используется в "разомкнутом контуре"; без отрицательной обратной связи в линейных приложениях. Это возможно, поскольку величина сопротивления, присоединенного к его выходу, управляет его выходным напряжением. Поэтому можно выбрать сопротивление, которое не даст выходу перейти в насыщение , даже при высоких дифференциальных входных напряжениях.

Эти различия означают, что подавляющее большинство стандартных приложений операционных усилителей не реализуются напрямую с помощью OTA. Однако OTA могут реализовывать фильтры, управляемые напряжением , генераторы, управляемые напряжением (например, генераторы переменной частоты ), резисторы, управляемые напряжением , и усилители с переменным усилением, управляемые напряжением . ^[4]

Основная операция

В идеальном OTA выходной ток является линейной функцией дифференциального входного напряжения, рассчитываемого следующим образом:

${\displaystyle I_{\mathrm {out} }=(V_{\mathrm {in+} }-V_{\mathrm {in-} })\cdot g_{\mathrm {m} }}$

где V _in+ — напряжение на неинвертирующем входе, V _in− — напряжение на инвертирующем входе, а g _m — крутизна усилителя.

Если нагрузка представляет собой просто сопротивление относительно земли, то выходное напряжение OTA является произведением его выходного тока и сопротивления нагрузки: ${\displaystyle R_{\text{load}}}$

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }=I_{\mathrm {out} }\cdot R_{\mathrm {load} }}$

Коэффициент усиления напряжения равен выходному напряжению, деленному на дифференциальное входное напряжение:

${\displaystyle G_{\mathrm {voltage} }={V_{\mathrm {out} } \over V_{\mathrm {in+} }-V_{\mathrm {in-} }}=R_{\mathrm {load} }\cdot g_{\mathrm {m} }}$

Транскондуктивность усилителя обычно контролируется входным током, обозначаемым I _abc («ток смещения усилителя»). Транскондуктивность усилителя прямо пропорциональна этому току. Эта особенность делает его полезным для электронного управления усилением усилителя и т. д.

Неидеальные характеристики

Как и стандартный операционный усилитель, практические OTA имеют некоторые неидеальные характеристики. К ним относятся:

• Нелинейность входного каскада при более высоких дифференциальных входных напряжениях из-за характеристик транзисторов входного каскада. В ранних устройствах, таких как CA3080, входной каскад состоял из двух биполярных транзисторов, соединенных в конфигурации дифференциального усилителя. Передаточные характеристики этого соединения приблизительно линейны для дифференциальных входных напряжений 20 мВ или менее. ^[5] Это важное ограничение, когда OTA используется в открытом контуре, поскольку отсутствует отрицательная обратная связь для линеаризации выхода. Одна из схем для улучшения этого параметра упомянута ниже.
• Температурная чувствительность проводимости.
• Изменение входного и выходного импеданса, входного тока смещения и входного напряжения смещения с током управления крутизной I _abc .

Последующие улучшения

Более ранние версии OTA не имели ни терминала _{смещения} I (показан на схеме), ни диодов (показаны рядом с ним). Все они были добавлены в более поздних версиях. Как показано на схеме, аноды диодов соединены вместе, а катод одного из них соединен с неинвертирующим входом (Vin+), а катод другого — с инвертирующим входом (Vin−). Диоды смещены на анодах током (I _bias ), который вводится в терминал _{смещения} I. Эти дополнения вносят два существенных улучшения в OTA. Во-первых, при использовании с входными резисторами диоды искажают дифференциальное входное напряжение, чтобы компенсировать значительную часть нелинейности входного каскада при более высоких дифференциальных входных напряжениях. По данным National Semiconductor, добавление этих диодов увеличивает линейность входного каскада в 4 раза. То есть, при использовании диодов уровень искажения сигнала при 80 мВ дифференциального входа такой же, как у простого дифференциального усилителя при дифференциальном входе 20 мВ. ^[6] Во-вторых, действие смещенных диодов компенсирует большую часть температурной чувствительности крутизны ОТА.

Второе улучшение — это интеграция опционального выходного буферного усилителя в чип, на котором находится OTA. Это на самом деле удобство для разработчика схем, а не улучшение самого OTA; избавляя от необходимости использовать отдельный буфер. Это также позволяет использовать OTA как традиционный операционный усилитель, если это необходимо, преобразуя его выходной ток в напряжение.

Примером чипа, сочетающего обе эти функции, является National Semiconductor LM13600 и его преемник LM13700 . ^[4]

Смотрите также

• Усилитель дифференциальной проводимости тока
• Трансимпедансный усилитель – преобразует ток в напряжение

Примечания

1. https://www.ijsr.net/archive/v2i3/IJSRON2013566.pdf ^{[ пустой URL-адрес PDF ]}
2. CA3080
3. Юнг, В. Г., IC Op-Amp Cookbook (Howard W. Sams -Bobbs-Merrill First Ed. 1974) стр. 440 и далее.
4. "LM13700 Двойные операционные усилители проводимости с линеаризующими диодами и буферами" (PDF) . Texas Instruments. 15 декабря 2015 г. . Получено 26 января 2016 г. .
5. Юнг, В. Г., IC Array Cookbook (Хайден, 1980) стр. 40-41.
6. Технические данные LM 13700 – График зависимости искажений от дифференциального входного напряжения (National Semiconductor, июнь 2004 г.), стр. 6.

Внешние ссылки

• Краткое обсуждение операционного усилителя крутизны (OTA)
• Сравнение операционных усилителей крутизны (архив)
• Примеры: CA3080 (устаревший продукт), MAX 435 (устаревший продукт), MAX 436 (устаревший продукт), LM13700, OPA860, OPA861
• Дискретные OTA для Synth-DIY и Elektor-Formant-Upgrades (архив)
• Уменьшение смещения напряжения интегрированного CMOS OTA (архив)
• Улучшение скорости нарастания выходного сигнала и полосы пропускания КМОП-OTA на основе частотно-перегруженного токового зеркала (архив)