什么是跨导放大器？ 跨导运算放大器有哪些用途？

跨导放大器(operational transconductance amplifier, OTA)是一种将输入差分电压转换为输出电流的放大器，因而它是一种电压控制电流源(VCCS)。跨导放大器通常会有一个额外的电流输入端，用以控制放大器的跨导。高阻的差分输入级、可配合负反馈回路进行工作的特性，使得跨导放大器类似于常规运算放大器。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，简称OTA，另一种是跨导器，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，没有市售产品，它是在集成系统中进行模拟信号处理的，跨导器几乎都是CMOS型的。

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，简称OTA，另一种是跨导器，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，没有市售产品，它是在集成系统中进行模拟信号处理的，跨导器几乎都是CMOS型的。

电子发烧友网>电子技术应用>电子常识>什么是跨导放大器(Transconductance Ampl

什么是跨导放大器(Transconductance Ampl

将电压转换为电流的放大器, 另外还有其它几个名称(请参考同义词列表)。其中一个同义词是OTA，或称为运算跨导放大器，从运算放大器和跨导放大器派生而来。

该术语源于“传输电导”，以西门子(S)为单位，1西门子 = 1安培/伏特，通常用符号gm表示。真空管和FET的基础增益用跨导表示。

我们通常见到的运算放大器电路，都是围绕电压输入一电压输出的常规型运放而设计的。而另一种类型的运放也常用于很多音频处理场合中，它采用电压输入一电流输出(跨导)形式工作，增益由外接控制端控制，这种器件称作跨导型运算放大器(OTA)，NE5517就是一款这样的集成电路。 上图为OTA的电路符号和工作时的基本计算公式，普通的差动输入端接收e1与e2两信号，其输出电流为这两个信号之差乘以OTA的跨导值

我们通常见到的运算放大器电路，都是围绕电压输入一电压输出的常规型运放而设计的。而另一种类型的运放也常用于很多音频处理场合中，它采用电压输入一电流输出(跨导)形式工作，增益由外接控制端控制，这种器件称作跨导型运算放大器(OTA)，NE5517就是一款这样的集成电路。

上图为OTA的电路符号和工作时的基本计算公式，普通的差动输入端接收e1与e2两信号，其输出电流为这两个信号之差乘以OTA的跨导值gm，gm的单位是西门子(S)，S=1/Ω。gm等于外部偏置电流lbias的20倍。因此增益可由偏流控制，实际应用中此偏流可在1000：1的范围口任意变化下。图为NE5517的引脚和内部电路图。图3为口用NE5517集成电路组成的一个环型调制器电路。

图下3路中，载波信号由R2输入，由R3输出。调制电压由NE5517的1脚输入。当调制输入为正时OTA的增益升高，而且对R2的输出电流超过R2的直接输入信号电流，得到反相输出的载波信号。相反的，调制电压变为负时OTA增益变小，R2的直接信号电流超过了OTA输出产生的电流，就获得同相载波输出信号。首先先介绍：跨导放大器(operational transconductance amplifier, OTA)是一种将输入差分电压转换为输出电流的放大器，因而它是一种电压控制电流源(VCCS)。 跨导放大器通常会有一个额外的电流输入端，用以控制放大器的跨导。 高阻的差分输入级、可配合负反馈回路进行工作的特性，使得跨导放大器类似于常规运算放大器。

两级Miller补偿OTA

OTA的设计一般分成两个步骤，其一是根据设计需求选择需要的电路结构，其二是根据电路指标结合计算结果确定电路中器件尺寸并进行仿真迭代。

上述电路是最简单的两级OTA结构，左侧结构是电流偏置产生电路，中间是五管结构的差分输入对，右侧是共源极输出，其中包含一个跨接在第二级输入与输出之间的补偿结构。

两级OTA设计指标

参数名 指标

负载电容 3pF

电源电压 2.8V

静态功耗 <2mW

开环直流增益 80dB

相位裕度 >60°

转换速率 >30V/us

输入共模电压 1.4V

单位增益带宽积 >30MHz

根据上面的设计指标，结合相应的计算公式，以gm/Id作为参数重新表示各指标的计算公式。

开环直流增益：

开环增益跟第一级、第二级电路的gm/Id值有关，同时与NMOS、PMOS的沟道长度调制系数 λn 和 λp 有关(假设所有MOS管的栅长一致，相同类型的MOS管沟道长度调制系数一样)。

通过选取器件栅长同时调整 M2 和 M6 的gm/Id值即可调整该电路的开环直流增益。

单位增益带宽积和转换速率的关系：

注意：上面公式成立的条件是摆率由第一级电流和Miller电容限制，除此之外摆率还有可能受输出节点限制，所以第二级静态电流会取得相对大一些，保证摆率不会受到第二级偏置电流和输出节点电容的限制。

根据单位增益带宽积和转换速率的关系公式，可以由单位增益带宽积或者转换速率的指标确定第一级输入管gm/Id的最小范围。

另外，根据参考资料推导，可以确定满足相位裕度要求时Miller电容 Cc 满足：

根据输入电压和功耗要求，可以求出所有支路电流之和需要满足： Itot ≤ 700 μA 。

参数计算

前面已经有了各指标的表达式，下面可以首先选取某个参数作为初始设计指标，小目习惯以开环直流增益做为设计起点。

为了提高电流镜结构电路的匹配型，需要让所有电流镜结构的MOS管工作在饱和区同时保持gm/Id值一致，这里为了利用之前设计的电流源偏置电路，取所有MOS管的L=2um.

选择 M3−7 的gm/Id=6，为了提高输入对管的匹配性(输入管取稍小的过驱动电压)，并且获得一定的电压增益，取 M1−2 的gm/Id=12.

通过曲线可以看到，满足上面参数的MOS管对应的沟道长度调制系数分别为： λn=0.012 和 λp=0.004 (同一类型的器件取最大值，留出一定裕量).

经过公式验证，按照上面的参数取值，开环直流增益的手算结果大约为：109dB，满足设计指标中80dB的要求。

取Miller电容为0.7pF，根据SR的要求，可以得到第一级电路的静态电流最小约为：21uA，第二级电路的静态电流最小约为：110uA.

结合电流源偏置电路的输出电流(10uA)，为了方便这里分别取第一级电路的总静态电流为40uA;第二级电路的总静态电流为220uA.

通过GBW和SR的表达式，结合输入对管的gm/Id取值，可以计算电路的SR大约为：57V/us，GBW值满足设计指标，大约为：54MHz左右。

用调零电阻产生的零点抵消第二极点的位置，根据公式：

按照上面电流与gm/Id的取值，代入公式，可以计算调零电阻取值约为：4K.

确定器件尺寸并仿真验证

按照器件gm/Id的值可以计算器件的尺寸，具体内容如下面器件标注所示。

电流镜和电流负载的尺寸可以直接根据电流源偏置电路的尺寸按比例计算，输入对管的尺寸查表计算。

按照图中标注的尺寸，对电路进行仿真分析，分别进行dc、tran、stb仿真，验证实际仿真与设计值的偏差。

首先确认所有器件工作在正确状态，各器件的gm/Id仿真值与设计值对比：

其中输出级电路电流值与设计偏差较大，但是对设计指标影响不大，先不做调整，可以看到总体来看仿真值与设计值偏差不大。

设计结果与指标对比

通过查看瞬态仿真结果，计算电路的压摆率是否满足设计指标并思考设计与仿真结果之间的误差来源。

仿真得到的SR约为40V/us，按照计算应为57V/us，通过查看仿真结果，实际第一级输出节点电容值大约为1.1pF，按照仿真得到的电流：41.7uA计算，SR大约为：38V/us，与仿真值比较接近。

通过stb仿真验开环直流增益，从仿真结果可以看到，设计的电路开环直流增益为：108dB，增益带宽积大约为：37MHz，相位裕度大约为：45°。