Операционный усилитель крутизны

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

Первые коммерчески доступные интегральные схемы были произведены RCA в 1969 году (до того, как они были приобретены General Electric ) в форме CA3080. ^[2] Хотя большинство блоков построено на биполярных транзисторах, также производятся блоки на полевых транзисторах.

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

OTA выдает ток , тогда как стандартный операционный усилитель выдает напряжение .
OTA обычно используется «с разомкнутым контуром»; без отрицательной обратной связи в линейных приложениях. Это возможно, поскольку величина сопротивления, подключенного к его выходу, контролирует его выходное напряжение. Следовательно, можно выбрать сопротивление, которое удерживает выходной сигнал от насыщения даже при высоких дифференциальных входных напряжениях.

Эти различия означают, что подавляющее большинство стандартных приложений операционных усилителей не могут быть реализованы напрямую с помощью OTA. Однако OTA могут реализовывать фильтры, управляемые напряжением , генераторы, управляемые напряжением (например, генераторы с регулируемой частотой ), резисторы, управляемые напряжением , и усилители с регулируемым коэффициентом усиления , управляемые напряжением . ^[4]

Основная операция

В идеальном ОТА выходной ток является линейной функцией дифференциального входного напряжения и рассчитывается следующим образом:

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 и g _m — крутизна усилителя.

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

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

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

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

Крутизна усилителя обычно контролируется входным током, обозначаемым I _abc («ток смещения усилителя»). Крутизна усилителя прямо пропорциональна этому току. Это особенность, которая делает его полезным для электронного управления коэффициентом усиления усилителя и т. д.

Неидеальные характеристики

Как и стандартные операционные усилители, практические ОТА имеют некоторые неидеальные характеристики. К ним относятся:

входного каскада 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 по схеме дифференциального усилителя. Передаточные характеристики этого соединения примерно линейны для дифференциальных входных напряжений 20 мВ или менее. ^[5] Это важное ограничение, когда OTA используется с открытым контуром, поскольку нет отрицательной обратной связи для линеаризации выходного сигнала. 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

Более ранние версии OTA не имели ни _{клеммы смещения} I (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, катод одного подключен к неинвертирующему входу (Vin+), а катод другого - к инвертирующему входу (Vin-). Диоды смещаются на анодах током ( _{смещение} I ), который подается на _{смещения} клемму I. Эти дополнения вносят два существенных улучшения в OTA. Во-первых, при использовании с входными резисторами диоды искажают дифференциальное входное напряжение, компенсируя 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 искажений сигнала при 80 мВ дифференциального входа такой же, как и у простого дифференциального усилителя. при дифференциальном входе 20 мВ. ^[6] Во-вторых, действие смещенных диодов компенсирует большую часть температурной чувствительности крутизны ОТА.

Вторым улучшением является интеграция дополнительного выходного буферного усилителя в чип, на котором находится OTA. На самом деле это удобство для разработчика схем, а не улучшение самого OTA; без необходимости использования отдельного буфера. 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 . ^[4]

См. также

Дифференциальный усилитель крутизны по току
Трансимпедансный усилитель — преобразует ток в напряжение.

Примечания

^ https://www.ijsr.net/archive/v2i3/IJSRON2013566.pdf .
^ CA3080
^ Юнг, WG, Поваренная книга операционного усилителя IC (Howard W. Sams -Bobbs-Merrill First Ed. 1974), стр. 440 и последующие.
^ Jump up to: ^а ^б «Двойные операционные усилители крутизны LM13700 с линеаризирующими диодами и буферами» (PDF) . Техасские инструменты. 15 декабря 2015 года . Проверено 26 января 2016 г. .
^ Юнг, WG, Поваренная книга IC Array (Хайден, 1980), стр. 40-41.
^ Техническое описание LM 13700 - График искажений по сравнению с дифференциальным входным напряжением (National Semiconductor, июнь 2004 г.) с. 6.

Внешние ссылки

[1] ttps://www.ijsr.net/archive/v2i3/IJSRON2013566.pdf .

[2] CA3080

[3] Юнг, WG, Поваренная книга операционного усилителя IC (Howard W. Sams -Bobbs-Merrill First Ed. 1974), стр. 440 и последующие.

[:0-4] Jump up to: ^а ^б «Двойные операционные усилители крутизны LM13700 с линеаризирующими диодами и буферами» (PDF) . Техасские инструменты. 15 декабря 2015 года . Проверено 26 января 2016 г. .

[5] Юнг, WG, Поваренная книга IC Array (Хайден, 1980), стр. 40-41.

[6] Техническое описание LM 13700 - График искажений по сравнению с дифференциальным входным напряжением (National Semiconductor, июнь 2004 г.) с. 6.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]