何时应考虑使用运算跨导放大器 (OTA)?

电器工程 运算放大器 放大器 模拟
2022-02-01 05:58:33

我发现了一些与此大致相关的问题:

但并非所有人都有答案,也没有人提供我正在寻找的洞察力。

我对我对“传统”运算放大器的理解感到相当满意,比如 LM358,以及何时我应该考虑将其中一个运算放大器用于电路设计。

然而,今天我偶然发现了一个芯片,即 LM13700,它被描述为运算跨导放大器(OTA)。

我将跨导理解为将电压转换为电流,因此对我来说,OTA 以某种方式将(差分)电压作为其输入并提供成比例的电流量作为输出,而不是成比例的电压,这对我来说是有意义的。我没有直觉,知道这种东西在电路中何时更可取。

我的问题是,什么直觉或经验法则会忠实地指导我何时考虑使用 OTA 而不是“常规”运算放大器?也许可以通过任何“经典”应用程序来说明,其中首选 OTA(以及为什么)?

我对应用程序的一个模糊概念是我正在研究的线性稳压器,其中运算放大器驱动晶体管从传输晶体管吸收电流;概念上像这样(组件值标称):

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

这带来了稳定性问题,因为运算放大器的输出电压范围非常窄,大约为 +/- 几十毫伏,以将基极电流从 0mA 更改为 20mA。也许这对OTA来说是一份好工作?VBE

我在正确的轨道上吗?关于何时考虑 OTA 的哪些直觉会提高我的设计技能?

2个回答

什么直觉或经验法则会忠实地指导我何时考虑使用 OTA 而不是“常规”运算放大器?也许可以通过任何“经典”应用程序来说明,其中首选 OTA(以及为什么)?

您无法真正将 OTA 与常规运算放大器进行比较。运算放大器是简单的构建块,您通常会通过在其周围添加组件来“配置”以执行一项固定操作。

OTA 类似,但还有一个额外的好处,即一旦您“配置”了它们,您仍然可以通过施加控制电流来控制操作的某些方面(比如说放大)。

关键区别在于,OTA 具有三个输入,而您的运算放大器只有两个。除了 OTA 和 OpAmp 共享的两个差分输入端子外,OTA 还有第三个输入,可让您通过施加电流来设置放大器的增益。

这第三个输入使您能够完成使用简单运算放大器无法实现的事情:OTA 能够将两个时变信号相乘!

另一方面,运算放大器也能够进行乘法(或放大),但只有一个信号是随时间变化的(差分输入端的信号)。乘法的另一个因素是常数,由反馈电阻定义。

OTA 的典型用例是“压控放大器”。

假设您想控制音频信号的音量。对于立体声信号,您可以使用立体声电位计,衰减信号,然后使用运算放大器对其进行缓冲。很好,但是如果您要处理两个以上的频道,您将如何完成同样的事情呢?例如 5.1 音响系统?您可能找不到具有两个以上通道的电位器。

这里 OTA 来救援:您可以使用单个电位器生成控制电压并将其馈送到任意数量的电压控制放大器。现在只需转动一个旋钮,您就可以随心所欲地控制任意数量的音频通道的音量。

另一个常见用途是自动增益控制在这里,信号根据其幅度被放大。幅度低的信号会被放大很多,而幅度高的信号只会被缓冲。这里的目标是在输出端生成一个动态范围较小的信号。这可以避免对信号进行削波并防止低幅度部分被噪声掩埋。20 年前,您在口述机、电话、录音机等中发现了这种电路。如今,使用软件完成这项工作的成本更低。

使用 OTA 的另一个大领域是“压控滤波器”。在这里,您控制的不是信号的放大,而是滤波器的截止频率。八十年代以来,所有模拟合成器滤波器中约有一半基于 OTA。

从电路设计的角度来看,运算放大器和 OTA 的使用方式也不同:

运算放大器几乎总是用于闭环配置。例如,您几乎总能找到从输出到负输入的电阻器或其他组件。正如您可能知道的那样,这曾经将运算放大器的非常高的开环增益降低到某个有用的水平。

另一方面,OTA很少用于闭环配置,例如,您不会找到从输出到负输入的典型电阻。这是因为它们一开始就没有高开环增益。毕竟,OTA 的增益由进入增益控制输入的电流定义。

这有几个后果: 考虑围绕运算放大器构建的电压跟随器。运算放大器的输出直接连接到负输入。如果将电压施加到正输入,则负反馈可确保差分输入之间的电压差几乎为零。

由于 OTA 电路中很少有负反馈,因此也没有将差分输入保持在相同电压的机制。相反,您会在输入之前发现一个巨大的分压器,它将输入端子的最大电压差保持在 10mV 至 30mV(经验法则)。如果超过此值,OTA 将变得越来越非线性,并会输出高度失真的信号。


关于您的电压调节器:这对于 OTA 来说确实是一个糟糕的用例,因为您不需要增益可编程功能。您可以使用 OTA 构建一个,但 OTA 的酷炫功能没有任何用处。

除了已经提到的应用领域,我想添加以下内容:

  • OTA - 与电压运算放大器相比 - 可以很容易地实现为集成电路(设计更简单,级数更少)。因此,可以实现例如完全集成的滤波器 IC(OTA-C 滤波器、gm-C 滤波器、开关电容滤波器)。作为另一个优势,最重要的滤波器块(积分器)可以用接地电容器来实现。

  • OTA 用作可控(接地)电阻元件。为此,我们应用了完整的负面反馈。在这种情况下,inv 之间的电阻。输入和接地是 r=1/gm(gm 跨导)。