跨導(dǎo)放大器的分類

　　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，因此它是一種電壓控制電流源（VCCS）。根據(jù)其應(yīng)用和設(shè)計特點，跨導(dǎo)放大器可以分為兩大類：跨導(dǎo)運算放大器（OTA）和跨導(dǎo)器（Transconductor）。

　　跨導(dǎo)運算放大器（OTA）

　　跨導(dǎo)運算放大器是一種通用型標(biāo)準(zhǔn)部件，有市售產(chǎn)品，且大多數(shù)為雙極型。OTA的輸入信號是電壓，輸出信號是電流，增益稱為跨導(dǎo)，用Gm表示。OTA具有一個額外的電流輸入端，用以控制放大器的跨導(dǎo)。這種特性使得OTA在模擬信號處理中非常靈活。雙極型OTA的跨導(dǎo)增益值較高，增益可調(diào)且可調(diào)范圍大（3～4個數(shù)量級）。OTA的典型應(yīng)用包括信號運算、處理以及在電壓模式信號系統(tǒng)和電流模式信號系統(tǒng)之間作為接口電路。

　　跨導(dǎo)器（Transconductor）

　　跨導(dǎo)器不是通用集成部件，主要用于集成系統(tǒng)中進行模擬信號處理，幾乎都是CMOS型的。與雙極型OTA相比，CMOS跨導(dǎo)器的增益值較低，增益可調(diào)范圍較小，或者不要求進行增益調(diào)節(jié)。然而，CMOS跨導(dǎo)器具有輸入阻抗高、功耗低的優(yōu)點，容易與其他電路結(jié)合實現(xiàn)CMOS集成系統(tǒng)。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)換速率也較高。

　　性能特點

　　跨導(dǎo)放大器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。然而，由于跨導(dǎo)放大器內(nèi)部的電流模式部分起決定作用，因此可以將其看作是一種電流模式電路。與常規(guī)的電壓模式運算放大器相比，OTA具有以下性能特點：

　　輸入差模電壓控制輸出電流，開環(huán)增益是以西門子（S）為單位的跨導(dǎo)。

　　增加了一個控制端，改變控制電流（即偏置電流IB）可對開環(huán)跨導(dǎo)增益Gm進行連續(xù)調(diào)節(jié)。

　　具有電流模式電路的特點，如頻帶寬、高頻性能好等。

　　應(yīng)用

　　跨導(dǎo)放大器的應(yīng)用非常廣泛，主要可以分為兩方面。一方面，在多種線性和非線性模擬電路和系統(tǒng)中進行信號運算和處理；另一方面，在電壓模式信號系統(tǒng)和電流模式信號系統(tǒng)之間作為接口電路，將待處理的電壓信號變換為電流信號，再送入電流模式系統(tǒng)進行處理。典型的應(yīng)用包括音頻處理、濾波器設(shè)計、調(diào)制器和解調(diào)器等。

　　跨導(dǎo)放大器作為一種重要的模擬電路元件，憑借其獨特的電壓-電流轉(zhuǎn)換特性，在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。無論是雙極型OTA還是CMOS跨導(dǎo)器，都在各自的領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出卓越的性能和廣泛的應(yīng)用前景。

　　跨導(dǎo)放大器的工作原理

　　跨導(dǎo)放大器（Operational Transconductance Amplifier，簡稱OTA）是一種將輸入差分電壓轉(zhuǎn)換為輸出電流的放大器，因此它是一種電壓控制電流源（VCCS）。其輸入信號是電壓，輸出信號是電流，增益稱為跨導(dǎo)，用Gm表示?？鐚?dǎo)放大器類似于常規(guī)運算放大器，但其輸出不是電壓而是電流，這使得它在某些應(yīng)用中具有獨特的優(yōu)勢。

　　跨導(dǎo)放大器的核心是高阻抗的差分輸入級，這使得它能夠接收微弱的電壓信號而不對信號源產(chǎn)生顯著的負載效應(yīng)。輸入電壓通過差分放大器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的輸出電流。這種轉(zhuǎn)換過程基于跨導(dǎo)的概念，即輸入電壓與輸出電流之間的比例關(guān)系?？鐚?dǎo)放大器的跨導(dǎo)值決定了輸入電壓變化時輸出電流的變化幅度。

　　跨導(dǎo)放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常包括一個差分放大器和一個電流源。差分放大器由兩個輸入端（非反相和反相）和一個輸出端組成，其作用是將輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流信號。差分放大器對輸入信號的增益由一個由場效應(yīng)管（FET）構(gòu)成的導(dǎo)納放大器控制。當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時，差分放大器的輸出電流也會相應(yīng)變化。

　　跨導(dǎo)放大器的輸出級通常是一個電流源，它將差分放大器的輸出電流分配給負載。負載可以是一個電阻、電容或其他電路元件。通過調(diào)節(jié)電流源的參數(shù)，可以實現(xiàn)對跨導(dǎo)放大器增益的調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式使得跨導(dǎo)放大器在各種應(yīng)用中具有高度的靈活性。

　　跨導(dǎo)放大器的一個重要特性是其高頻性能。由于其內(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)。這使得跨導(dǎo)放大器在高頻條件下具有良好的性能，大信號下的轉(zhuǎn)換速率也較高。此外，跨導(dǎo)放大器的電路結(jié)構(gòu)簡單，電源電壓和功耗都可以降低，這使得它在便攜式設(shè)備和低功耗應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢。

　　跨導(dǎo)放大器廣泛應(yīng)用于各種電子系統(tǒng)中，特別是在模擬信號處理領(lǐng)域。例如，在傳感器信號處理、生物醫(yī)學(xué)工程、光纖通信等領(lǐng)域，跨導(dǎo)放大器被用來放大微弱的信號，提高信號的信噪比。此外，跨導(dǎo)放大器還被用于有源濾波器的設(shè)計中，特別是在高頻集成電路領(lǐng)域，由OTA和電容構(gòu)成的OTA-C濾波器被廣泛應(yīng)用。

　　跨導(dǎo)放大器是一種重要的電子元件，其工作原理基于電壓控制電流的概念。其高輸入阻抗、低功耗和高頻性能使其在各種模擬信號處理應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　跨導(dǎo)放大器的作用

　　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，因此它是一種電壓控制電流源（VCCS）。跨導(dǎo)放大器在電子領(lǐng)域中扮演著重要的角色，具有廣泛的應(yīng)用和獨特的功能。

　　跨導(dǎo)放大器的主要功能是將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流信號。這種轉(zhuǎn)換通過跨導(dǎo)增益（Gm）來實現(xiàn)，跨導(dǎo)增益的單位是西門子（S），1西門子等于1安培/伏特?？鐚?dǎo)放大器的輸入信號是電壓，輸出信號是電流，這種特性使得它在許多應(yīng)用中具有優(yōu)勢。例如，在射頻接收機中，跨導(dǎo)放大器可以將接收到的微弱電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，以便進一步處理和放大。

　　跨導(dǎo)放大器具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點。高輸入阻抗使得它能夠與高阻抗信號源（如傳感器、電極等）良好匹配，避免信號源的負載效應(yīng)。低輸出阻抗則使得它能夠驅(qū)動低阻抗負載，提供穩(wěn)定的電流輸出。這種特性使得跨導(dǎo)放大器在傳感器接口、生物醫(yī)學(xué)信號處理等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

　　跨導(dǎo)放大器還具有良好的高頻性能。由于跨導(dǎo)放大器內(nèi)部沒有電壓增益級，因此沒有大擺幅電壓信號和密勒電容倍增效應(yīng)，這使得它在高頻信號處理中表現(xiàn)出色?？鐚?dǎo)放大器的高頻性能和大信號下的轉(zhuǎn)換速率都較高，這使得它在通信系統(tǒng)、射頻前端等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

　　跨導(dǎo)放大器還具有電控能力，可以通過外部控制信號調(diào)節(jié)其跨導(dǎo)增益。這種特性使得它在可調(diào)增益放大器、可編程增益放大器等應(yīng)用中具有優(yōu)勢。例如，在音頻處理領(lǐng)域，跨導(dǎo)放大器可以通過控制信號調(diào)節(jié)其增益，實現(xiàn)音量調(diào)節(jié)等功能。

　　在集成系統(tǒng)中，跨導(dǎo)放大器也具有重要的應(yīng)用價值。由于跨導(dǎo)放大器的電路結(jié)構(gòu)簡單，電源電壓和功耗都可以降低，這使得它在便攜式設(shè)備、低功耗系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。例如，在移動電話、掌上電腦、筆記本電腦等便攜式設(shè)備中，跨導(dǎo)放大器被用于實現(xiàn)低功耗的信號處理和放大。

　　跨導(dǎo)放大器在電子領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用和重要的作用。它能夠?qū)⑤斎氲碾妷盒盘栟D(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流信號，具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、良好的高頻性能和電控能力。這些特性使得跨導(dǎo)放大器在傳感器接口、生物醫(yī)學(xué)信號處理、通信系統(tǒng)、射頻前端、便攜式設(shè)備等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，跨導(dǎo)放大器的應(yīng)用領(lǐng)域和功能將會更加豐富和多樣化。

　　跨導(dǎo)放大器的特點

　　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，因此它是一種電壓控制電流源（VCCS）。其獨特的特性使其在各種模擬信號處理應(yīng)用中具有重要地位。本文將詳細探討跨導(dǎo)放大器的特點。

　　跨導(dǎo)放大器的輸入信號是電壓，而輸出信號是電流，增益被稱為跨導(dǎo)，用Gm表示。這種特性使得跨導(dǎo)放大器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)換速率也較高。

　　跨導(dǎo)放大器具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點。高輸入阻抗使得它能夠與高阻抗信號源良好匹配，而低輸出阻抗則使得它能夠驅(qū)動低阻抗負載。這種特性使得跨導(dǎo)放大器在各種模擬信號處理應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　跨導(dǎo)放大器的增益（跨導(dǎo)）是可調(diào)的。雙極型OTA的跨導(dǎo)增益值較高，增益可調(diào)而且可調(diào)范圍也大（3～4個數(shù)量級）。這種可調(diào)性使得跨導(dǎo)放大器在各種應(yīng)用中具有很高的靈活性。例如，在濾波器設(shè)計中，可以通過調(diào)整跨導(dǎo)來改變?yōu)V波器的截止頻率和帶寬。

　　跨導(dǎo)放大器的電路結(jié)構(gòu)相對簡單。由于沒有電壓增益級，電路中的MOS管數(shù)量較少，這不僅降低了功耗和所需的電源電壓，還使得電路更容易實現(xiàn)高頻性能。這種簡單性使得跨導(dǎo)放大器在低壓低功耗應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。

　　跨導(dǎo)放大器也存在一些局限性。例如，CMOS跨導(dǎo)器的增益值較低，增益可調(diào)范圍較小，或者不要求進行增益調(diào)節(jié)。此外，當(dāng)輸出負載電容較大時，尺寸比例的提高對于提升放大器擺率的作用程度是有限的，并且較大比例的放大器還會引入更大的寄生電容，這會影響放大電路的穩(wěn)定性。

　　跨導(dǎo)放大器具有高頻性能好、大信號下的轉(zhuǎn)換速率高、電路結(jié)構(gòu)簡單、功耗低等特點，廣泛應(yīng)用于各種模擬信號處理領(lǐng)域。然而，為了在低壓低功耗條件下實現(xiàn)更好的性能，研究人員正在不斷探索和改進跨導(dǎo)放大器的設(shè)計方法。

　　跨導(dǎo)放大器的應(yīng)用

　　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，因此它是一種電壓控制電流源（VCCS）。由于其高阻的差分輸入級和可配合負反饋回路工作的特性，跨導(dǎo)放大器在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

　　跨導(dǎo)放大器在音頻處理領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。例如，NE5517是一款常用的跨導(dǎo)型運算放大器，它采用電壓輸入-電流輸出形式工作，增益由外接控制端控制。這種器件常用于環(huán)型調(diào)制器電路中，載波信號和調(diào)制電壓分別輸入，通過OTA的增益控制實現(xiàn)信號的調(diào)制。這種應(yīng)用在音頻效果器、合成器等設(shè)備中非常普遍。

　　跨導(dǎo)放大器在模擬信號處理中也有廣泛應(yīng)用。由于其輸入信號是電壓，輸出信號是電流，增益叫跨導(dǎo)（Gm），這種特性使得跨導(dǎo)放大器在模擬信號處理電路中非常有用。例如，在有源濾波器、振蕩器和放大器的設(shè)計中，跨導(dǎo)放大器可以實現(xiàn)電流模式信號處理，提高電路的性能和穩(wěn)定性。

　　跨導(dǎo)放大器在低功耗應(yīng)用中也有顯著優(yōu)勢。傳統(tǒng)的跨導(dǎo)放大器在低壓低功耗下，其擺率與較大功耗的情況下相比，會大幅度下降。然而，通過設(shè)計新型的電流鏡跨導(dǎo)放大器，可以在不增加功耗的情況下，實現(xiàn)擺率的顯著提升。這種特性使得跨導(dǎo)放大器在便攜式電子設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。

　　跨導(dǎo)放大器還被廣泛應(yīng)用于非線性電路設(shè)計中。例如，采用電流差分跨導(dǎo)放大器（CDTA）可以實現(xiàn)電流限幅器、精密整流器、逐段線性函數(shù)近似發(fā)生器等非線性元件和網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。通過調(diào)節(jié)CDTA的跨導(dǎo)增益（Gm），可以編程傳遞曲線的斷點和斜率，實現(xiàn)對電路參數(shù)的精確控制。

　　跨導(dǎo)放大器由于其獨特的電壓控制電流源特性，在音頻處理、模擬信號處理、低功耗應(yīng)用和非線性電路設(shè)計等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷進步，跨導(dǎo)放大器的性能將進一步提升，應(yīng)用領(lǐng)域也將更加廣泛。

　　跨導(dǎo)放大器如何選型

　　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，因此它是一種電壓控制電流源（VCCS）。由于其高阻的差分輸入級和可配合負反饋回路工作的特性，使得跨導(dǎo)放大器類似于常規(guī)運算放大器。然而，OTA的輸入信號是電壓，輸出信號是電流，增益稱為跨導(dǎo)，用Gm表示。根據(jù)應(yīng)用需求的不同，選擇合適的跨導(dǎo)放大器型號至關(guān)重要。以下是一些選型指南，幫助工程師們在眾多選項中做出明智的選擇。

　　1. 確定應(yīng)用需求

　　首先，明確你的應(yīng)用需求是選擇跨導(dǎo)放大器的基礎(chǔ)?？紤]以下問題：

　　工作頻率范圍：確定你的信號是直流還是交流，以及所需的工作頻率范圍是多少。

　　電壓范圍：確定輸入和輸出信號的電壓范圍，以及對于輸入輸出之間的電絕緣性能是否有特殊要求。

　　精度和穩(wěn)定性：如果應(yīng)用對精度和穩(wěn)定性要求較高，需要選擇具有高性能規(guī)格的放大器。

　　2. 選擇適當(dāng)?shù)碾妷悍秶?/span>

　　跨導(dǎo)放大器通常設(shè)計用于在高電壓范圍內(nèi)工作。確保選擇的放大器具有足夠的電壓容量，以滿足應(yīng)用的需求?？紤]輸入信號的峰值電壓和輸出信號的需求，以確定所需的放大倍數(shù)和電壓容量。例如，NE5517是一款常用的跨導(dǎo)放大器，其輸入電壓范圍為±15V，輸出電流范圍為±10mA。

　　3. 注意帶寬和頻率響應(yīng)

　　不同的跨導(dǎo)放大器在頻率響應(yīng)上有所不同。選擇一個適當(dāng)?shù)膸?，確保放大器能夠處理應(yīng)用中的所需頻率范圍。特別是在高頻應(yīng)用中，帶寬的選擇尤為重要，以防止信號失真和衰減。例如，LM13700是一款具有寬頻帶響應(yīng)的跨導(dǎo)放大器，其帶寬可達10MHz。

　　4. 考慮輸入和輸出阻抗

　　跨導(dǎo)放大器的輸入和輸出阻抗對系統(tǒng)的匹配和穩(wěn)定性有重要影響。選擇與你的傳感器或負載匹配的放大器，以最大限度地提高信號傳輸效率。例如，OPA657是一款具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的跨導(dǎo)放大器，適用于高精度測量應(yīng)用。

　　5. 查看保護功能

　　考慮放大器的保護功能，如過載保護、過溫保護和短路保護等。這些功能可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，防止放大器在極端條件下受到損害。例如，AD8221是一款具有過壓保護功能的跨導(dǎo)放大器，適用于工業(yè)自動化應(yīng)用。

　　6. 注意信噪比和失真指標(biāo)

　　對于需要高精度的應(yīng)用，信噪比和失真是關(guān)鍵指標(biāo)。選擇具有低噪聲和低失真性能的放大器，以確保高質(zhì)量的信號放大。例如，LT1028是一款具有低噪聲和低失真性能的跨導(dǎo)放大器，適用于高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　7. 考慮電源需求和功耗

　　最后，考慮電源需求和功耗。選擇符合系統(tǒng)電源規(guī)格的放大器，并確保其功耗在系統(tǒng)能夠容忍的范圍內(nèi)。例如，MAX4166是一款低功耗跨導(dǎo)放大器，適用于電池供電的便攜式設(shè)備。

　　8. 其他考慮因素

　　除了上述因素，還應(yīng)考慮放大器的溫度穩(wěn)定性、封裝形式、成本等因素。例如，OPA1678是一款具有優(yōu)異溫度穩(wěn)定性的跨導(dǎo)放大器，適用于精密儀器儀表應(yīng)用。

　　結(jié)論

　　選擇合適的跨導(dǎo)放大器需要綜合考慮應(yīng)用需求、電壓范圍、帶寬、輸入輸出阻抗、保護功能、信噪比和失真指標(biāo)、電源需求和功耗等多個因素。通過仔細分析和比較不同型號的放大器，可以找到最適合你應(yīng)用需求的跨導(dǎo)放大器，從而提高系統(tǒng)的性能和可靠性。