跨導放大器的分類

　　跨導放大器（Operational Transconductance Amplifier，OTA）是一種將輸入差分電壓轉換為輸出電流的放大器，因此它是一種電壓控制電流源（VCCS）。根據其應用和設計特點，跨導放大器可以分為兩大類：跨導運算放大器（OTA）和跨導器（Transconductor）。

　　跨導運算放大器（OTA）

　　跨導運算放大器是一種通用型標準部件，有市售產品，且大多數為雙極型。OTA的輸入信號是電壓，輸出信號是電流，增益稱為跨導，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。這種特性使得OTA在模擬信號處理中非常靈活。雙極型OTA的跨導增益值較高，增益可調且可調范圍大（3～4個數量級）。OTA的典型應用包括信號運算、處理以及在電壓模式信號系統和電流模式信號系統之間作為接口電路。

　　跨導器（Transconductor）

　　跨導器不是通用集成部件，主要用于集成系統中進行模擬信號處理，幾乎都是CMOS型的。與雙極型OTA相比，CMOS跨導器的增益值較低，增益可調范圍較小，或者不要求進行增益調節。然而，CMOS跨導器具有輸入阻抗高、功耗低的優點，容易與其他電路結合實現CMOS集成系統。由于跨導放大器內部只有電壓-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，高頻性能好，大信號下的轉換速率也較高。

　　性能特點

　　跨導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，由于跨導放大器內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，開環增益是以西門子（S）為單位的跨導。

　　增加了一個控制端，改變控制電流（即偏置電流IB）可對開環跨導增益Gm進行連續調節。

　　具有電流模式電路的特點，如頻帶寬、高頻性能好等。

　　應用

　　跨導放大器的應用非常廣泛，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中進行信號運算和處理；另一方面，在電壓模式信號系統和電流模式信號系統之間作為接口電路，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進行處理。典型的應用包括音頻處理、濾波器設計、調制器和解調器等。

　　跨導放大器作為一種重要的模擬電路元件，憑借其獨特的電壓-電流轉換特性，在現代電子系統中發揮著重要作用。無論是雙極型OTA還是CMOS跨導器，都在各自的領域內展現出卓越的性能和廣泛的應用前景。

　　跨導放大器的工作原理

　　跨導放大器（Operational Transconductance Amplifier，簡稱OTA）是一種將輸入差分電壓轉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，用Gm表示。跨導放大器類似于常規運算放大器，但其輸出不是電壓而是電流，這使得它在某些應用中具有獨特的優勢。

　　跨導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生顯著的負載效應。輸入電壓通過差分放大器轉換為相應的輸出電流。這種轉換過程基于跨導的概念，即輸入電壓與輸出電流之間的比例關系。跨導放大器的跨導值決定了輸入電壓變化時輸出電流的變化幅度。

　　跨導放大器的內部結構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管（FET）構成的導納放大器控制。當輸入電壓發生變化時，差分放大器的輸出電流也會相應變化。

　　跨導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。通過調節電流源的參數，可以實現對跨導放大器增益的調節。這種調節方式使得跨導放大器在各種應用中具有高度的靈活性。

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

　　跨導放大器廣泛應用于各種電子系統中，特別是在模擬信號處理領域。例如，在傳感器信號處理、生物醫學工程、光纖通信等領域，跨導放大器被用來放大微弱的信號，提高信號的信噪比。此外，跨導放大器還被用于有源濾波器的設計中，特別是在高頻集成電路領域，由OTA和電容構成的OTA-C濾波器被廣泛應用。

　　跨導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用中具有廣泛的應用前景。

　　跨導放大器的作用

　　跨導放大器（Operational Transconductance Amplifier，OTA）是一種將輸入差分電壓轉換為輸出電流的放大器，因此它是一種電壓控制電流源（VCCS）。跨導放大器在電子領域中扮演著重要的角色，具有廣泛的應用和獨特的功能。

　　跨導放大器的主要功能是將輸入的電壓信號轉換為相應的電流信號。這種轉換通過跨導增益（Gm）來實現，跨導增益的單位是西門子（S），1西門子等于1安培/伏特。跨導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用中具有優勢。例如，在射頻接收機中，跨導放大器可以將接收到的微弱電壓信號轉換為電流信號，以便進一步處理和放大。

　　跨導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。低輸出阻抗則使得它能夠驅動低阻抗負載，提供穩定的電流輸出。這種特性使得跨導放大器在傳感器接口、生物醫學信號處理等領域中得到廣泛應用。

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

　　跨導放大器還具有電控能力，可以通過外部控制信號調節其跨導增益。這種特性使得它在可調增益放大器、可編程增益放大器等應用中具有優勢。例如，在音頻處理領域，跨導放大器可以通過控制信號調節其增益，實現音量調節等功能。

　　在集成系統中，跨導放大器也具有重要的應用價值。由于跨導放大器的電路結構簡單，電源電壓和功耗都可以降低，這使得它在便攜式設備、低功耗系統中得到廣泛應用。例如，在移動電話、掌上電腦、筆記本電腦等便攜式設備中，跨導放大器被用于實現低功耗的信號處理和放大。

　　跨導放大器在電子領域中具有廣泛的應用和重要的作用。它能夠將輸入的電壓信號轉換為相應的電流信號，具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、良好的高頻性能和電控能力。這些特性使得跨導放大器在傳感器接口、生物醫學信號處理、通信系統、射頻前端、便攜式設備等領域中得到廣泛應用。隨著電子技術的不斷發展，跨導放大器的應用領域和功能將會更加豐富和多樣化。

　　跨導放大器的特點

　　跨導放大器（Operational Transconductance Amplifier, OTA）是一種將輸入差分電壓轉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用中具有重要地位。本文將詳細探討跨導放大器的特點。

　　跨導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，用Gm表示。這種特性使得跨導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，高頻性能好，大信號下的轉換速率也較高。

　　跨導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動低阻抗負載。這種特性使得跨導放大器在各種模擬信號處理應用中具有廣泛的應用前景。

　　跨導放大器的增益（跨導）是可調的。雙極型OTA的跨導增益值較高，增益可調而且可調范圍也大（3～4個數量級）。這種可調性使得跨導放大器在各種應用中具有很高的靈活性。例如，在濾波器設計中，可以通過調整跨導來改變濾波器的截止頻率和帶寬。

　　跨導放大器的電路結構相對簡單。由于沒有電壓增益級，電路中的MOS管數量較少，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高頻性能。這種簡單性使得跨導放大器在低壓低功耗應用中具有顯著優勢。

　　跨導放大器也存在一些局限性。例如，CMOS跨導器的增益值較低，增益可調范圍較小，或者不要求進行增益調節。此外，當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定性。

　　跨導放大器具有高頻性能好、大信號下的轉換速率高、電路結構簡單、功耗低等特點，廣泛應用于各種模擬信號處理領域。然而，為了在低壓低功耗條件下實現更好的性能，研究人員正在不斷探索和改進跨導放大器的設計方法。

　　跨導放大器的應用

　　跨導放大器（Operational Transconductance Amplifier，OTA）是一種將輸入差分電壓轉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，跨導放大器在許多領域得到了廣泛應用。

　　跨導放大器在音頻處理領域有著重要應用。例如，NE5517是一款常用的跨導型運算放大器，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。這種器件常用于環型調制器電路中，載波信號和調制電壓分別輸入，通過OTA的增益控制實現信號的調制。這種應用在音頻效果器、合成器等設備中非常普遍。

　　跨導放大器在模擬信號處理中也有廣泛應用。由于其輸入信號是電壓，輸出信號是電流，增益叫跨導（Gm），這種特性使得跨導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計中，跨導放大器可以實現電流模式信號處理，提高電路的性能和穩定性。

　　跨導放大器在低功耗應用中也有顯著優勢。傳統的跨導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，通過設計新型的電流鏡跨導放大器，可以在不增加功耗的情況下，實現擺率的顯著提升。這種特性使得跨導放大器在便攜式電子設備、無線傳感器網絡等領域具有重要應用價值。

　　跨導放大器還被廣泛應用于非線性電路設計中。例如，采用電流差分跨導放大器（CDTA）可以實現電流限幅器、精密整流器、逐段線性函數近似發生器等非線性元件和網絡的設計。通過調節CDTA的跨導增益（Gm），可以編程傳遞曲線的斷點和斜率，實現對電路參數的精確控制。

　　跨導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、低功耗應用和非線性電路設計等領域具有廣泛的應用前景。隨著技術的不斷進步，跨導放大器的性能將進一步提升，應用領域也將更加廣泛。

　　跨導放大器如何選型

　　跨導放大器（Operational Transconductance Amplifier，OTA）是一種將輸入差分電壓轉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，使得跨導放大器類似于常規運算放大器。然而，OTA的輸入信號是電壓，輸出信號是電流，增益稱為跨導，用Gm表示。根據應用需求的不同，選擇合適的跨導放大器型號至關重要。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. 確定應用需求

　　首先，明確你的應用需求是選擇跨導放大器的基礎。考慮以下問題：

　　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。

　　精度和穩定性：如果應用對精度和穩定性要求較高，需要選擇具有高性能規格的放大器。

　　2. 選擇適當的電壓范圍

　　跨導放大器通常設計用于在高電壓范圍內工作。確保選擇的放大器具有足夠的電壓容量，以滿足應用的需求。考慮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和電壓容量。例如，NE5517是一款常用的跨導放大器，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

　　不同的跨導放大器在頻率響應上有所不同。選擇一個適當的帶寬，確保放大器能夠處理應用中的所需頻率范圍。特別是在高頻應用中，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的跨導放大器，其帶寬可達10MHz。

　　4. 考慮輸入和輸出阻抗

　　跨導放大器的輸入和輸出阻抗對系統的匹配和穩定性有重要影響。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放大器，適用于高精度測量應用。

　　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的穩定性和可靠性，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放大器，適用于工業自動化應用。

　　6. 注意信噪比和失真指標

　　對于需要高精度的應用，信噪比和失真是關鍵指標。選擇具有低噪聲和低失真性能的放大器，以確保高質量的信號放大。例如，LT1028是一款具有低噪聲和低失真性能的跨導放大器，適用于高精度數據采集系統。

　　7. 考慮電源需求和功耗

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

　　8. 其他考慮因素

　　除了上述因素，還應考慮放大器的溫度穩定性、封裝形式、成本等因素。例如，OPA1678是一款具有優異溫度穩定性的跨導放大器，適用于精密儀器儀表應用。

　　結論

　　選擇合適的跨導放大器需要綜合考慮應用需求、電壓范圍、帶寬、輸入輸出阻抗、保護功能、信噪比和失真指標、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用需求的跨導放大器，從而提高系統的性能和可靠性。