跨導(dǎo)運(yùn)算放大器是什么？設(shè)計(jì)時(shí)需考慮哪些問題？

跨導(dǎo)放大器(operational transconductance amplifier, OTA)是一種將輸入差分電壓轉(zhuǎn)換為輸出電流的放大器，因而它是一種電壓控制電流源(VCCS)。跨導(dǎo)放大器通常會有一個(gè)額外的電流輸入端，用以控制放大器的跨導(dǎo)。高阻的差分輸入級、可配合負(fù)反饋回路進(jìn)行工作的特性，使得跨導(dǎo)放大器類似于常規(guī)運(yùn)算放大器?？鐚?dǎo)放大器的輸入信號是電壓，輸出信號是電流，增益叫跨導(dǎo)，用Gm表示。集成跨導(dǎo)放大器可分為兩種：一種是跨導(dǎo)運(yùn)算放大器，簡稱OTA，另一種是跨導(dǎo)器，跨導(dǎo)運(yùn)算放大器是一種通用型標(biāo)準(zhǔn)部件，有市售產(chǎn)品，而且都是雙極型的。跨導(dǎo)器不是通用集成部件，沒有市售產(chǎn)品，它是在集成系統(tǒng)中進(jìn)行模擬信號處理的，跨導(dǎo)器幾乎都是CMOS型的。

由于跨導(dǎo)放大器的輸入信號是電壓，輸出信號是電流，所以它既不是完全的電壓模式電路，也不是完全的電流模式電路，而是一種電壓-電流模式混合電路。由于跨導(dǎo)放大器內(nèi)部只有電壓電流變換級和電流傳輸級，沒有電壓增益級，因此沒有大擺幅電壓信號和密勒電容倍增效應(yīng)，高頻性能好，大信號下的轉(zhuǎn)換速率也高，同時(shí)電路結(jié)構(gòu)簡單，電源電壓和功耗都可以降低。這些高性能特點(diǎn)表明，在跨導(dǎo)放大器的電路中，電流模式部分起決定作用。根據(jù)這一理由，跨導(dǎo)放大器被看作是一種電流模式電路。

跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的定義

運(yùn)算放大器可以置于傳感器/信號源與模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間，將兩者連接在一起，負(fù)責(zé)處理來自接收器信號路徑的信號;也可置于數(shù)模轉(zhuǎn)換器與模擬輸出之間，將兩者連接在一起，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)發(fā)送器信號路徑的信號無論是接收還是發(fā)送信號，運(yùn)算放大器主要負(fù)責(zé)處理模擬信號，以便將模擬信號的重要信息傳送至下一環(huán)節(jié)作進(jìn)一步處理。換言之，置于輸入路徑的運(yùn)算放大器負(fù)責(zé)為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供經(jīng)過處理的輸入信號，而置于輸出路徑的運(yùn)算放大器則負(fù)責(zé)為發(fā)送器提供經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器處理的輸出信號。這個(gè)處理過程并不簡單，因?yàn)橄到y(tǒng)采用的傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及發(fā)送器都各不相同，為它們提供信號的信號源必須在電子特性方面能夠滿足它們的特殊要求，才可以充分發(fā)揮其性能。

什么是跨導(dǎo)放大器(Transconductance Amplifier)

將電壓轉(zhuǎn)換為電流的放大器, 另外還有其它幾個(gè)名稱(請參考同義詞列表)。其中一個(gè)同義詞是OTA，或稱為運(yùn)算跨導(dǎo)放大器，從運(yùn)算放大器和跨導(dǎo)放大器派生而來。

該術(shù)語源于“傳輸電導(dǎo)”，以西門子(S)為單位，1西門子 = 1安培/伏特，通常用符號gm表示。真空管和FET的基礎(chǔ)增益用跨導(dǎo)表示。

例如，PH測量儀表的PH電極所發(fā)出的信號需要經(jīng)過高阻抗運(yùn)算放大器的處理，才可傳送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因?yàn)橐话銇碚f，PH電極的輸出阻抗都很高。輸入阻抗不足的運(yùn)算放大器便無法充分利用PH電極的電能，以至模數(shù)轉(zhuǎn)換器也無法獲得足夠的PH電極電能。系統(tǒng)處理模擬信號時(shí)如果不得其法，即使所采用的數(shù)字處理系統(tǒng)非常先進(jìn)、強(qiáng)勁，系統(tǒng)的整體性能也會受到嚴(yán)重影響。所謂“接收的是垃圾、輸出的也是垃圾(Garbage in, garbage out)”，便是這個(gè)意思。

射頻接收機(jī)質(zhì)量被認(rèn)為是影響整個(gè)系統(tǒng)成本和性能的主要因素。隨著無線通信移動(dòng)終端朝著小尺寸、低成本、低功耗方向發(fā)展，射頻前端系統(tǒng)中的集成濾波器" title="濾波器">濾波器設(shè)計(jì)顯得十分重要。其中，基于CMOS工藝的設(shè)計(jì)方案以其成本和功耗的優(yōu)勢，已成為有源濾波器設(shè)計(jì)選擇的主流方向。

跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(Operational Transconductance Amplifier)因其工作頻率高，電路結(jié)構(gòu)簡單，具有電控能力，便于集成等特點(diǎn)被廣泛用于有源濾波設(shè)計(jì)中。電壓功耗低的COMS跨導(dǎo)運(yùn)算放大器，同時(shí)有熱穩(wěn)定性能好，芯片面積小，便于集成等優(yōu)點(diǎn)。由OTA及電容C構(gòu)成的OTA—C濾波器，僅含電容，不含電阻以及其他無源元件，有較低的功耗和較高的應(yīng)用頻率，被普遍應(yīng)用于高頻集成電路領(lǐng)域。

從總體上看，國內(nèi)的模擬濾波器研究成果較少且工藝陳舊;從帶寬上來看，低中頻結(jié)構(gòu)接收器中高帶寬的應(yīng)用比較少。本文采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了一個(gè)應(yīng)用于片上全集成接收機(jī)中頻寬帶低通濾波器。

梯形結(jié)構(gòu)電路的元件參數(shù)靈敏度低，實(shí)現(xiàn)時(shí)不用考慮傳輸函數(shù)零極點(diǎn)的配對，設(shè)計(jì)方便，在寬帶濾波器設(shè)計(jì)中有一定的優(yōu)越性。跳耦結(jié)構(gòu)電路具有較小的寄生敏感度和較大的動(dòng)態(tài)范圍。本文低通濾波器設(shè)計(jì)采用信號流程圖方式實(shí)現(xiàn)梯形跳耦結(jié)構(gòu)。

近十幾年來，移動(dòng)電話、掌上電腦、筆記本電腦等便攜式設(shè)備及醫(yī)療、測試儀器的迅猛發(fā)展拉動(dòng)了具有低壓差、低功耗的LDO(LowDropout)穩(wěn)壓器的快速發(fā)展。當(dāng)前，LDO穩(wěn)壓器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)500mV以下的壓差。在LDO穩(wěn)壓器中，電源是主要的噪聲源。尤其在高頻，電源電壓的變化為系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來的影響更大。誤差放大器是LDO穩(wěn)壓器的重要組成部分，其穩(wěn)定性與整個(gè)LDO穩(wěn)壓器系統(tǒng)的穩(wěn)定性能密切相關(guān)。因此，研究電源電壓變化對LDO穩(wěn)壓器中誤差放大器的影響是非常必要的。電源抑制比(PSRR)衡量模擬系統(tǒng)對抗電源噪聲的能力，是放大器一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。

本文設(shè)計(jì)的誤差放大器為帶共源共柵電流鏡負(fù)載的共源共柵差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器。它應(yīng)用在一款超低功耗的LDO線性穩(wěn)壓器中，采用共源共柵差分結(jié)構(gòu)，提高了PSRR，低頻達(dá)到119dB。同時(shí)，該放大器具有高共模抑制比(CMRR)，低頻達(dá)到106dB，靜態(tài)電流不超過0.62μA。

OTA的設(shè)計(jì)與仿真

PSRR定義為輸入端到輸出端的電壓增益與電源到輸出端的電壓增益之比，即

Gm(s)和Gmp(s)分別是輸入端到輸出端、電源到輸出端之間的跨導(dǎo)。在LDO線性穩(wěn)壓器中，只有VDD一個(gè)低壓電壓源供電，因此，這里只討論VDD的PSRR。

電流鏡負(fù)載放大器是LDO線性穩(wěn)壓器中誤差放大器的基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。VDD通過M3、M4，為輸出端引入一個(gè)電流(go4+sCp4)VDD，通過M3、M1、M2，為輸出端引入一個(gè)電流(go1+sCp1)VDD，則

式中，go為輸出導(dǎo)納，Cp=CGD+CDB。

圖1基本電流鏡負(fù)載差分電路

對這種結(jié)構(gòu)的放大器的PSRR進(jìn)行Spice仿真，如圖2所示。從圖2中可以看出，低頻時(shí)的PSRR只能達(dá)到47.6dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到LDO線性穩(wěn)壓器的性能要求。從(2)式可以看出，減小M1、M4的輸出導(dǎo)納，可以提高低頻時(shí)的PSRR，減小M1、M4的寄生電容，即減小MOS管的尺寸，可以提高高頻時(shí)的PSRR。