Operacyjny wzmacniacz transkonduktancji

Schematyczny symbol OTA. Podobnie jak standardowy wzmacniacz operacyjny, ma zarówno wejścia odwracające (-), jak i nieodwracające (+); linie zasilające (V+ i V−); i jedno wyjście. W przeciwieństwie do tradycyjnego wzmacniacza operacyjnego ma dwa dodatkowe wejścia polaryzujące, I _abc i I _bias .

Operacyjny wzmacniacz transkonduktancyjny ( OTA ) to wzmacniacz , którego różnicowe napięcie wejściowe wytwarza prąd wyjściowy . Jest to więc źródło prądowe sterowane napięciem (VCCS). Zwykle istnieje dodatkowe wejście prądowe do sterowania transkonduktancją wzmacniacza . OTA jest podobny do standardowego wzmacniacza operacyjnego , ponieważ ma różnicowy stopień wejściowy o wysokiej impedancji i może być używany z ujemnym sprzężeniem zwrotnym .

Pierwsze dostępne na rynku układy scalone zostały wyprodukowane przez RCA w 1969 roku (przed przejęciem przez General Electric ) w postaci CA3080. Chociaż większość jednostek jest zbudowana z tranzystorów bipolarnych, produkowane są również jednostki tranzystorów polowych. Sam w sobie OTA nie jest tak użyteczny w zdecydowanej większości standardowych funkcji wzmacniacza operacyjnego , jak zwykły wzmacniacz operacyjny, ponieważ jego wyjściem jest prąd. ^{[ potrzebne źródło ]} Jednym z jego głównych zastosowań jest wdrażanie sterowanych elektronicznie aplikacji, takich jak oscylatory o zmiennej częstotliwości oraz filtry i stopnie wzmacniacza o zmiennym wzmocnieniu , które są trudniejsze do wdrożenia w przypadku standardowych wzmacniaczy operacyjnych.

Główne różnice w stosunku do standardowych wzmacniaczy operacyjnych

Jego prąd wyjściowy kontrastuje z wyjściem standardowego wzmacniacza operacyjnego, którego wyjściem jest napięcie .
Jest zwykle używany jako „otwarta pętla”; bez ujemnego sprzężenia zwrotnego w zastosowaniach liniowych. Jest to możliwe, ponieważ wielkość rezystancji dołączonej do jego wyjścia kontroluje jego napięcie wyjściowe. nasyceniu się wyjścia , nawet przy dużych różnicach napięć wejściowych.

Podstawowa operacja

W idealnej tubie optycznej prąd wyjściowy jest funkcją liniową różnicowego napięcia wejściowego, obliczanego w następujący sposób:

{\ Displaystyle I _ {\ operatorname {na zewnątrz}} = (V _ {\ operatorname {w +}} -V _ {\ operatorname {w-}} )\cdot g_{\mathrm {m}}}

gdzie V _in+ to napięcie na wejściu nieodwracającym, V _in− to napięcie na wejściu odwracającym, a g _m to transkonduktancja wzmacniacza.

Napięcie wyjściowe wzmacniacza jest iloczynem jego prądu wyjściowego i rezystancji obciążenia:

{\ Displaystyle V _ {\ operatorname {na zewnątrz}} = ja _ {\ operatorname {na zewnątrz}} \ cdot R _ {\ operatorname {obciążenie}}}

Wzmocnienie napięcia jest więc napięciem wyjściowym podzielonym przez różnicowe napięcie wejściowe:

Displaystyle G _ {\ operatorname {napięcie}} = {V _ {\ operatorname {na zewnątrz } } \over V_{\mathrm {in+} }-V_{\mathrm {in-} }}=R_{\mathrm {load} }\cdot g_{\mathrm {m} }}

Transkonduktancja wzmacniacza jest zwykle kontrolowana przez prąd wejściowy, oznaczony jako I _abc („prąd polaryzacji wzmacniacza”). Transkonduktancja wzmacniacza jest wprost proporcjonalna do tego prądu. Jest to cecha, która czyni go przydatnym do elektronicznego sterowania wzmocnieniem wzmacniacza itp.

Nieidealne cechy

Podobnie jak w przypadku standardowego wzmacniacza operacyjnego, praktyczne tuby optyczne mają pewne nieidealne cechy. Obejmują one:

Nieliniowość stopnia wejściowego przy wyższych różnicowych napięciach wejściowych ze względu na charakterystykę tranzystorów stopnia wejściowego. We wczesnych urządzeniach, takich jak CA3080, stopień wejściowy składał się z dwóch tranzystorów bipolarnych połączonych w konfiguracji wzmacniacza różnicowego. Charakterystyka przenoszenia tego połączenia jest w przybliżeniu liniowa dla różnicowych napięć wejściowych 20 mV lub mniejszych. Jest to ważne ograniczenie, gdy OTA jest używany w otwartej pętli, ponieważ nie ma ujemnego sprzężenia zwrotnego do linearyzacji wyjścia. Jeden schemat poprawy tego parametru jest wymieniony poniżej.
Czułość temperaturowa transkonduktancji.
Zmiana impedancji wejściowej i wyjściowej, wejściowego prądu polaryzacji i wejściowego napięcia niezrównoważenia z prądem sterującym transkonduktancji I _abc .

Kolejne ulepszenia

Wcześniejsze wersje tuby optycznej nie miały ani zacisku polaryzacji I ₍ pokazanego na schemacie), ani diod (pokazanych obok). Wszystkie zostały dodane w późniejszych wersjach. Jak pokazano na schemacie, anody diod są połączone razem, katoda jednej z nich jest podłączona do wejścia nieodwracającego (Vin+), a katoda drugiej do wejścia odwracającego (Vin−). Diody są spolaryzowane na anodach przez prąd (I _polaryzacja ), który jest wprowadzany do zacisku I _polaryzacji . Te dodatki wprowadzają dwa istotne ulepszenia OTA. Po pierwsze, gdy są używane z rezystorami wejściowymi, diody zniekształcają różnicowe napięcie wejściowe, aby zrównoważyć znaczną część nieliniowości stopnia wejściowego przy wyższych różnicowych napięciach wejściowych. Według National Semiconductor, dodanie tych diod zwiększa liniowość stopnia wejściowego o współczynnik 4. Oznacza to, że przy użyciu diod poziom zniekształceń sygnału przy 80 mV wejścia różnicowego jest taki sam, jak w przypadku prostego wzmacniacza różnicowego przy wejściu różnicowym 20 mV. Po drugie, działanie spolaryzowanych diod kompensuje znaczną część wrażliwości temperaturowej transkonduktancji tuby optycznej.

Drugim ulepszeniem jest integracja opcjonalnego wzmacniacza bufora wyjściowego z chipem, na którym znajduje się OTA. W rzeczywistości jest to wygoda dla projektanta obwodów, a nie ulepszenie samego OTA; rezygnacja z konieczności stosowania oddzielnego bufora. Pozwala również na użycie OTA jako tradycyjnego wzmacniacza operacyjnego, jeśli jest to pożądane, poprzez konwersję jego prądu wyjściowego na napięcie.

Przykładem chipa łączącego obie te cechy jest National Semiconductor LM13600 i jego następca, LM13700 .

Zobacz też

Notatki

^ Jung, WG, IC Op-Amp Cookbook (Howard W. Sams -Bobbs-Merrill pierwsze wyd. 1974) s. 440 i nast.
Bibliografia _
^ Jung, WG, IC Array Cookbook (Hayden, 1980) str. 40-41.
^ Arkusz danych dla LM 13700 - Wykres zniekształceń v. Różnicowe napięcie wejściowe (National Semiconductor, czerwiec 2004) str. 6.
^ „Podwójne operacyjne wzmacniacze transkonduktancyjne LM13700 z diodami linearyzującymi i buforami” (PDF) . Instrumenty z Teksasu. 15 grudnia 2015 . Źródło 26 stycznia 2016 r .

Linki zewnętrzne

[1] Jung, WG, IC Op-Amp Cookbook (Howard W. Sams -Bobbs-Merrill pierwsze wyd. 1974) s. 440 i nast.

[2] Bibliografia _

[3] Jung, WG, IC Array Cookbook (Hayden, 1980) str. 40-41.

[4] Arkusz danych dla LM 13700 - Wykres zniekształceń v. Różnicowe napięcie wejściowe (National Semiconductor, czerwiec 2004) str. 6.

[5] „Podwójne operacyjne wzmacniacze transkonduktancyjne LM13700 z diodami linearyzującymi i buforami” (PDF) . Instrumenty z Teksasu. 15 grudnia 2015 . Źródło 26 stycznia 2016 r .