Операционный усилитель крутизны - Operational transconductance amplifier - Wikipedia

Схематическое обозначение ОТА. Как и стандартный операционный усилитель, он имеет как инвертирующий (-), так и неинвертирующий (+) входы; линии электропитания (V + и V−); и один выход. В отличие от традиционного операционного усилителя, он имеет два дополнительных входа смещения: I_abc и я_{предвзятость}.

В операционный усилитель крутизны (OTA) является усилитель мощности дифференциальное входное напряжение которого дает выход Текущий. Таким образом, это источник тока, управляемый напряжением (VCCS). Обычно есть дополнительный вход для тока для управления усилителем. крутизна. ОТА похож на стандартный операционный усилитель в этом есть высокий сопротивление дифференциальный входной каскад и что он может использоваться с негативный отзыв.^[1]

Первые коммерчески доступные интегральные схемы были произведены RCA в 1969 г. (до приобретения General Electric ), в виде CA3080 (продукт снят с производства),^[2] и с тех пор они были улучшены. Хотя большинство устройств построено на биполярных транзисторах, также производятся блоки на полевых транзисторах. Сам по себе OTA не так полезен в подавляющем большинстве стандартные функции операционного усилителя как обычный операционный усилитель, потому что его выход представляет собой ток.^{[нужна цитата ]} Одно из основных его применений - реализация приложений с электронным управлением, таких как генераторы переменной частоты и фильтры и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления этапы, которые сложнее реализовать со стандартными операционными усилителями.

Принципиальные отличия от стандартных операционных усилителей

• Его выход Текущий отличается от стандартного операционного усилителя, выход которого Напряжение.
• Обычно используется «разомкнутый контур»; без отрицательной обратной связи в линейных приложениях. Это возможно, потому что величина сопротивления, приложенного к его выходу, определяет его выходное напряжение. Таким образом, можно выбрать сопротивление, которое предотвращает попадание выходного сигнала в насыщенность, даже при высоких дифференциальных входных напряжениях.

Основная операция

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

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

куда V_{в +} - напряжение на неинвертирующем входе, V_в- - напряжение на инвертирующем входе, а g_м это крутизна усилителя.

Выходное напряжение усилителя является произведением его выходного тока и сопротивления нагрузки:

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

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

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

Крутизна усилителя обычно регулируется входным током, обозначенным I_abc («ток смещения усилителя»). Крутизна усилителя прямо пропорциональна этому току. Это функция, которая делает его полезным для электронного управления усилением усилителя и т. Д.

Неидеальные характеристики

Как и в случае со стандартным операционным усилителем, практические OTA имеют некоторые неидеальные характеристики. К ним относятся:

• Входной этап нелинейность 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 подключения приблизительно линейны для дифференциального входного напряжения 20 мВ или меньше.^[3] Это важное ограничение, когда OTA используется без обратной связи, так как нет отрицательной обратной связи для линеаризации выхода. Одна из схем улучшения этого параметра упомянута ниже.
• Температурная чувствительность крутизны.
• Изменение входного и выходного импеданса, входного тока смещения и входного напряжения смещения в зависимости от тока управления крутизной I_abc.

Последующие улучшения

В более ранних версиях OTA не было ни I_{предвзятость} клеммы (показанной на схеме), ни диодов (показанных рядом с ней). Все они были добавлены в более поздних версиях. Как показано на схеме, аноды диодов соединены вместе, и катод одного из них подключен к неинвертирующему входу (Vin +), а катод другого - к инвертирующему входу (Vin-). Диоды смещены на анодах током (I_{предвзятость}), который вводится в I_{предвзятость} Терминал. 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. Согласно 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 и у простого дифференциального усилителя. при дифференциальном входе 20 мВ.^[4] Во-вторых, действие смещенных диодов смещает большую часть температурной чувствительности крутизны OTA.

Второе усовершенствование - это интеграция дополнительного буферного усилителя выходного сигнала в микросхему, на которой находится OTA. На самом деле это удобство для разработчика схем, а не улучшение самого OTA; избавление от необходимости использовать отдельный буфер. Это также позволяет при желании использовать OTA в качестве традиционного операционного усилителя путем преобразования его выходного тока в напряжение.

Примером чипа, сочетающего обе эти функции, является National Semiconductor LM13600 и его преемник, LM13700.^[5]

Смотрите также

• Токовый дифференциальный усилитель крутизны
• Трансимпедансный усилитель

Примечания

1. Юнг, W.G., Поваренная книга IC Op-Amp (Ховард В. Сэмс-Бобс Меррилл, первое издание, 1974 г.) стр. 440 et seq.
2. CA3080 (продукт снят с производства)
3. Юнг, W.G., Поваренная книга IC Array(Хайден, 1980) стр. 40-41.
4. Лист данных для LM 13700 - График искажений по сравнению с дифференциальным входным напряжением (National Semiconductor, июнь 2004 г.) стр. 6.
5. «Двойные операционные усилители крутизны LM13700 с линеаризующими диодами и буферами» (PDF). Инструменты Техаса. 15 декабря 2015 г.. Получено 26 января 2016.

внешняя ссылка

• 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
• Обсуждение альтернатив