跨導(dǎo)放大器和運(yùn)算放大器區(qū)別分析

　　什幺是跨導(dǎo)放大器

　　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）?？鐚?dǎo)放大器通常會(huì)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(jí)、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(lèi)似于常規(guī)運(yùn)算放大器。

　　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(guò)處理的輸入信號(hào)，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(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器處理的輸出信號(hào)。這個(gè)處理過(guò)程并不簡(jiǎn)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(hào)的信號(hào)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。

　　什幺是運(yùn)算放大器

　　運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱(chēng)“運(yùn)放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號(hào)可以是輸入信號(hào)加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果。由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在。運(yùn)放的種類(lèi)繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當(dāng)中。

　　原理

　　運(yùn)放如圖有兩個(gè)輸入端a（反相輸入端），b（同相輸入端）和一個(gè)輸出端o。也分別被稱(chēng)為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當(dāng)電壓U-加在a端和公共端（公共端是電壓為零的點(diǎn)，它相當(dāng)于電路中的參考結(jié)點(diǎn)。）之間，且其實(shí)際方向從a 端高于公共端時(shí)，輸出電壓U實(shí)際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。當(dāng)輸入電壓U+加在b端和公共端之間，U與U+兩者的實(shí)際方向相對(duì)公共端恰好相同。為了區(qū)別起見(jiàn)，a端和b 端分別用“-”和“+”號(hào)標(biāo)出，但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性。電壓的正負(fù)極性應(yīng)另外標(biāo)出或用箭頭表示。反轉(zhuǎn)放大器和非反轉(zhuǎn)放大器如下圖：

　　一般可將運(yùn)放簡(jiǎn)單地視為：具有一個(gè)信號(hào)輸出端口（Out）和同相、反相兩個(gè)高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運(yùn)放制作同相、反相及差分放大器。

　　運(yùn)放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對(duì)于雙電源供電運(yùn)放，其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動(dòng)輸入電壓為零時(shí)輸出也可置零。采用單電源供電的運(yùn)放，輸出在電源與地之間的某一范圍變化。

　　運(yùn)放的輸入電位通常要求高于負(fù)電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的運(yùn)放可以允許輸入電位在從負(fù)電源到正電源的整個(gè)區(qū)間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負(fù)電源也被允許。這種運(yùn)放稱(chēng)為軌到軌（rail-to-rail）輸入運(yùn)算放大器。

　　運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)與兩個(gè)輸入端的信號(hào)電壓差成正比，在音頻段有：輸出電壓=A0（E1-E2），其中，A0 是運(yùn)放的低頻開(kāi)環(huán)增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的輸入信號(hào)電壓，E2 是反相端的輸入信號(hào)電壓。

　　跨導(dǎo)放大器和運(yùn)算放大器區(qū)別分析

　　跨導(dǎo)放大器的設(shè)計(jì)考慮

　　采用電壓反饋放大器（VFA）來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)質(zhì)的電流到電壓（跨導(dǎo)放大器）轉(zhuǎn)換器是一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)。理論上，一個(gè)光電二極管當(dāng)曝露在光線中時(shí)可產(chǎn)生一個(gè)電流或電壓輸出，而跨導(dǎo)放大器（TIA）便是將這個(gè)很弱的電流轉(zhuǎn)換成一個(gè)可用的電壓信號(hào)，通常跨導(dǎo)放大器均需經(jīng)過(guò)補(bǔ)償才能正常工作。本文將會(huì)探討一個(gè)用345MHz的軌到軌輸出，電壓反饋放大器（例如是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LMH6611）來(lái)實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單TIA設(shè)計(jì)，并提供TIA設(shè)計(jì)所必需的信息，討論TIA的補(bǔ)償和性能結(jié)果，以及分析TIA輸出端的噪聲。

　　圖1所示為一個(gè)用電壓反饋放大器構(gòu)建的帶有光電二極管等效電容和運(yùn)放輸入電容的TIA模型。

　　運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)考慮

　　由于LMH6611工作在較大增益（RF）時(shí)，其輸入偏置電流便較低，故可容許電路工作在低光強(qiáng)度的條件下。運(yùn)算放大器反向端上的總電容（Cr）包括光二極管的電容（CPD）和輸入電容（CIN），Cr在電路穩(wěn)定性方面扮演著很重要的角色，而穩(wěn)定性則取決于這個(gè)電路的噪聲增益（NG），其定義為：

　　圖2所示為噪聲增益與運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)增益（AOL）交點(diǎn)的波特圖。當(dāng)增益較大時(shí)，CT和RF在傳遞函數(shù)中產(chǎn)生了一個(gè)零點(diǎn)。在較高的頻率下，在環(huán)路附近會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的相移，使得跨導(dǎo)放大器絕對(duì)不穩(wěn)定。

　　為了保持穩(wěn)定性，需要加入一個(gè)反饋電容（CF）與RF并聯(lián)以便在噪聲增益函數(shù)中的fP處構(gòu)建一個(gè)極點(diǎn)。通過(guò)選用合適容值的CF，便可使噪聲增益的斜坡變平從而獲取最佳的性能，這樣使得頻率fP點(diǎn)的噪聲增益等于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益。這個(gè)在AOL和噪聲增益交點(diǎn)以上的噪聲增益斜率“平坦化”會(huì)得到一個(gè)45度的相位余量（PM）。這是因?yàn)樵诮稽c(diǎn)處，fP點(diǎn)的噪聲增益極點(diǎn)會(huì)貢獻(xiàn)一個(gè)45度的相位超前，因此給出了一個(gè)45度的相位余量（假設(shè)fP和fZ之間最少有10MHz的距離）。