跨导运算放大器

183第5章集成跨导运算放大器内容提要跨导放大器(包括双极型OTA和CMOS跨导器)是一种通用性很强的标准器件，应用非常广泛，主要用途可以分为两方面。一方面，在多种线性和非线性模拟电路和系统中进行信号运算和处理；另一方面，在电压模式信号系统和电流模式信号系统之间作为接口电路，将待处理的电压信号变换为电流信号，再送入电流模式系统进行处理。本章将介绍OTA的基本概念，双极型集成OTA的电路结构，及其OTA在模拟信号处理中的基本应用原理。CMOS跨导器是近年来研究和发展的主流，本章将主要介绍几种CMOS跨导放大电路。5.1引言跨导放大器的输入信号是电压，输出信号是电流，增益叫跨导，用Gm表示。集成跨导放大器可分为两种，一种是跨导运算放大器(OperationalTransconductanceAmplifier)，简称OTA；另一种是跨导器(Transconductor)。跨导运算放大器是一种通用型标准部件，有市售产品，而且都是双极型的。跨导器不是通用集成部件，它主要用于集成系统中进行模拟信号的处理，跨导器几乎都是CMOS型的。双极型OTA和CMOS跨导器的功能在本质上是相同的，都是线性电压控制电流源。但是，由于集成工艺和电路设计的不同，它们在性能上存在一些不同之处：双极型OTA的跨导增益值较高，增益可调而且可调范围也大(3～4个数量级)；CMOS跨导器的增益值较低，增益可调范围较小，或者不要求进行增益调节，但它的输入阻抗高、功耗低，容易与其他电路结合实现CMOS集成系统。由于跨导放大器的输入信号是电压，输出信号是电流，所以它既不是完全的电压模式电路，也不是完全的电流模式电路，而是一种电压／电流模式混合电路。但是，由于跨导放大器内部只有电压一电流变换级和电流传输级，没有电压增益级，因此没有大摆幅电压信号和密勒电容倍增效应，高频性能好，大信号下的转换速率也较高，同时电路结构简单，电源电压和功耗都可以降低。这些高性能特点表明，在跨导放大器的电路中，电流模式部分起决定作用。根据这一理由，跨导放大器可以看作是一种电流模式电路。5.2双极型集成OTA5.2.1OTA的基本概念OTA是跨导运算放大器的简称，它是一种通用标准部件。OTA的符号如图5.1所示，它有两个输入端，一个输出端，一个控制端。符号上的“+”号代表同相输入端，“-”号代表反相输入端，io是输出电流，IB是偏置电流，即外部控制电流。OTA的传输特性可用下列方程式描述idmiimo)(uGuuGi(5.1)184式中io是输出电流；uid是差模输入电压；Gm是开环跨导增益。通常由双极型集成工艺制作的OTA在小信号下，跨导增益Gm是偏置电流IB的线性函数，其关系式为BmhIG(5.2)T212UkTqh(5.3)h称为跨导增益因子，UT是热电压，在室温条件(T=300K)下，UT=26mV，可以计算出h=19.2[1/V]，因此有Bm2.19IG(5.4)式中IB的单位用[A]，Gm的单位为[S]。根据式(5.1)的传输特性方程式，可画出OTA的小信号理想模型如图5.2所示。对这个理想模型，两个电压输入端之间开路，差模输入电阻为无穷大；输出端是一个受差模输入电压uid控制的电流源，输出电阻为无穷大。同时，理想条件下的跨导放大器的共模输入电阻、共模抑制比、频带宽度等参数均为无穷大，输入失调电压、输入失调电流等参数均为零。以上通过对OTA基本概念的介绍可以看出，与常规的电压模式(电压输出／电压输入)运算放大器比较，OTA具有下列性能特点；①输入差模电压控制输出电流，开环增益是以[S]为单位的跨导；②增加了一个控制端，改变控制电流(即偏置电流IB)可对开环跨导增益Gm进行连续调节；③它还具有电流模式电路的特点，如频带宽，高频性能好等。5.2.2双极型OTA电路结构1．双极型OTA结构框图双极型集成OTA的结构框图如图5.3所示。图中ui+是同相输入端，ui-是反相输入端。io是电流输出端，IB是偏置电流输入端。晶体管VT1、VT2组成差动式跨导输入级，将输入电压信号变换为电流信号，EC、-EE分别是正、负电源。框图中的Mx、My、Mz、Mw均为电流镜，其中电流镜Mw将外加偏置电流IB输送到VT1、VT2组成的差动输入级作静态电流；电流镜Mx和My将VT1的集电极电流icl输送到输出端；电流镜Mz将VT2的集电极电流ic2输送到输出端。由于My与Mz是极性互补的电流镜，My的输ioui+ui-+-Gm（ui+-ui-）图5.2OTA的小信号理想模型IB图5.1OTA的电路符号ui+ui-+-Gmio185出电流为流进方向，Mz的输出电流为流出方向，故将icl与ic2的差值取作输出电流io，形成单端推挽式输出。由框图可看出，双极型OTA的电路结构十分简单，它的基本单元电路只有共射差动放大级和若干个电流镜。下面介绍一种基本型OTA电路，它是美国RCA、NSC等公司生产的3080系列OTA所采用的电路。2.基本型OTA电路（1）电路组成基本型OTA的电路如图5.4所示。它由11个晶体管和6个二极管组成。注意，这里的所有二极管实际上都是指集、基短接的晶体管。在图5.4所示电路中，VT1、VT2组成跨导输入级，它是共射差动式电路，输入电压信号，输出电流信号，因此是跨导放大级。VT3和VD1组成一个基本镜象电流镜，与结构框图5.3中Mw的作用相同，将外加偏置电流IB送到输入级作VT1、VT2的射极长尾电流。VT7、VT8、VT9和VD5组成威尔逊电流镜，起结构框图5.3中Mz的作用，VT8与VT9的达林顿接法可提高电流镜的输出电阻，并联在VT8发射结上的二极管VD4用来加快电路的工作速度。同理，VT4、VT5、VT6与VD2、VD3组成威尔逊电流镜，起结构框图5.3中Mx的作用。VT10、VT11和VD6组成第三个威尔逊电流镜起框图中My的作用。输出端为VT9集电极与VTl0集电极的相交点。因此是高阻抗输出端，输出电流为VT9集电极电流与VT10集电极电流之差。如果上述电路中4个电流镜的电流传输比均等于1，从而使得ic9=ic2，ic10=icl，io=图5.3双极型集成OTA的结构框图VT2VT1EC-EE图5.4基本型OTA电路i1i2i10=i1IBVT1VT2VT3VT4VT5VT6VT7VT10VT11VD1VD2VD3VD4VD6i9=i2VT8VT9VD5EC-EE186ic9-ic10=ic2-ic1。因此，上述OTA电路的传输特性(即io与uid的函数关系)将由差动输入级的传输特性来决定。（2）传输特性分析设OTA电路中的4个电流镜的电流传输比均等于1，则OTA电路的传输特性由差动输入级的传输特性决定。根据晶体三极管特性，VT1、VT2集电极电流为TBE1/Se1c1eUuIiiTBE2/Se2c2eUuIii其中qKTUT为PN结内建电压（热电压），IS为饱合电流。VT3的集电极偏置电流IB可表示为)e1()1(Tid/e1e1e2e1e2e1BUuiiiiiiI由上述各式可解得TidBe1c1exp1UuIii(5.5)TidBe2c2exp1UuIii(5.6)其中uid=ui+-ui-，将式(5.5)的分子及分母同时乘以Tid2expUu，则有TidTidTidBe1c12exp2exp2expUuUuUuIii(5.7)利用双曲正切函数xxxxeeeexth，由(5.7)式可得)2th1(2TidBE1C1UuIii(5.8)同理由(5.6)式可得到ic2的表达式如下)2th1(2TidBE2C2UuIii(5.9)取icl与ic2之差作为跨导输入级的输出电流，且假设VT1、VT2的共基电流放大系数α=1，可得差动输入级的传输特性，即输出电流io与差模输入电压uid的关系式为187TidBc2c1o2thUuIiii(5.10)式(5.10)是传输特性的精确表达式，显然io与uid之间具有非线性函数关系。在输入电压信号很小，即uid2UT条件下，利用双曲正弦函数的特性（即当x1时，thx≈x），。则由式(5.10)可得，io与uid之间具有的近似线性关系为TidBc2c1o2UuIiii(5.11)式(5.11)是传输特性的近似表达式，与(5.1)式比较不难看出TBidom2ddUIuiG(5.12)常温下，UT=26mV，可以算出)S(2.19mV262BBmIIG(5.13)所以有)(2.19)(iiBiimouuIuuGi(5.14)由以上分析结果看出，差动式跨导输入级及基本型OTA电路具有以下基本性能特点：跨导增益Gm与偏置电流IB之间具有线性关系，跨导增益可借助偏置电流IB进行调节；电路内部没有大的摆幅电压，在±2V～±15V电源电压范围内都可以正常工作。但是，这种OTA电路有两个缺点：①传输特性的线性范围很窄，若要使其非线性误差小于1％，差模输入电压的允许动态范围约为±10mV；②跨导增益与温度成反比（UT=kT/q），温度升高时，跨导Gm值下降。5.2.3改进的双极型OTA电路1.电路组成一种双极型OTA的改进电路如图5.5所示，它与前述图5.4所示OTA基本电路相比，在输入级加入线性化补偿电路，用以扩展传输特性的线性范围，并消除温度对跨导增益的影响。另外，一般在输出端还设置有达林屯缓冲输出级（图中没有画出），这样可使OTA除了能提供高输出阻抗电流端之外，还能提供低输出阻抗电压端，增加应用的灵活性。图5.5所示电路由15个晶体管和9个二极管组成，晶体管和二极管(集、基短接的晶体管)均具有相同的几何尺寸。下面分别说明该电路的线性化补偿级、差动跨导输入级和电流传送级的组成和特点。线性化补偿电路由VT12、VT13、VD9、VT14、VT15、VD7、VD8和Rx组成，其中VT12、VT13组成射极耦合差分级，实现电压-电流变换；VD9、VT14、VT15组成电流镜，将外加偏置电流ID输送给VT12、VT13的发射极，作为长尾电流；VD7、VD8是线性化补偿二极管，其作用是增加传输特性的线性范围，并消除温度的影响，关于实现线性化补偿的原理将在后面专门讨论。188VT1～VT3和VD1组成跨导输入级，VT3和VD1组成一个基本电流镜，与结构框图5.3中Mw的作用相同，将外加偏置电流IB送到跨导输入级作为VT1、VT2的射极长尾电流。电流传送级由三个Wilson电流镜组成，其中VT7、VT8、VT9和VD5组成威尔逊电流镜，起框图5.3中Mz的作用，VT8与VT9的达林顿接法可提高电流镜的输出电阻，并联在VT8发射结上的二极管VD4用来加快电路的工作速度。同理，VT4、VT5、VT6与VD2、VD3组成威尔逊电流镜起框图中Mx的作用。VT10、VT11和VD6组成第三个威尔逊电流镜起框图中My的作用。三个电流镜的电流传输比均近似为1。输出端为VT9集电极与VTl0集电极的相交点。因此是高阻抗输出端，输出电流为VT9集电极电流与VT10集电极电流之差，即io=ic9-ic10=ic2-ic1。2.线性化补偿原理由式(5.10)可以看出，双极型OTA电路的输出电流io与输入差模电压uid之间具有非线性双曲正切函数的关系。如果对输入的电压信号uid首先进行反双曲正切变换，再输入到差动跨导级，以补偿双曲正切函数所产生的非线性失真，那么输出电流io与输入电压uid将成线性关系。图5.6所示的线性化补偿电路构成一个反双曲线正切函数的变换电路。其中，由VT12、VT13、VD9、VT14、VT15和Rx构成线性电压—电流变换器，其交流等效电路与第3章图3.8所示电路相同，利用式(3.20)可求出流过Rx的电流为xidbe13be12xIidx11RuβrβrRui(5.15)由图5.6可以看出，u'id为VD7，VD8发射结上的电压差，即be8be7iduuu，而ID图5.5改进型OTA电路i1i