跨导放大器的分类

　　跨导放大器（Operational Transconductance Amplifier，OTA）是一种将输入差分电压转换为输出电流的放大器，因此它是一种电压控制电流源（VCCS）。根据其应用和设计特点，跨导放大器可以分为两大类：跨导运算放大器（OTA）和跨导器（Transconductor）。

　　跨导运算放大器（OTA）

　　跨导运算放大器是一种通用型标准部件，有市售产品，且大多数为双极型。OTA的输入信号是电压，输出信号是电流，增益称为跨导，用Gm表示。OTA具有一个额外的电流输入端，用以控制放大器的跨导。这种特性使得OTA在模拟信号处理中非常灵活。双极型OTA的跨导增益值较高，增益可调且可调范围大（3～4个数量级）。OTA的典型应用包括信号运算、处理以及在电压模式信号系统和电流模式信号系统之间作为接口电路。

　　跨导器（Transconductor）

　　跨导器不是通用集成部件，主要用于集成系统中进行模拟信号处理，几乎都是CMOS型的。与双极型OTA相比，CMOS跨导器的增益值较低，增益可调范围较小，或者不要求进行增益调节。然而，CMOS跨导器具有输入阻抗高、功耗低的优点，容易与其他电路结合实现CMOS集成系统。由于跨导放大器内部只有电压-电流变换级和电流传输级，没有电压增益级，因此没有大摆幅电压信号和密勒电容倍增效应，高频性能好，大信号下的转换速率也较高。

　　性能特点

　　跨导放大器既不是完全的电压模式电路，也不是完全的电流模式电路，而是一种电压/电流模式混合电路。然而，由于跨导放大器内部的电流模式部分起决定作用，因此可以将其看作是一种电流模式电路。与常规的电压模式运算放大器相比，OTA具有以下性能特点：

　　输入差模电压控制输出电流，开环增益是以西门子（S）为单位的跨导。

　　增加了一个控制端，改变控制电流（即偏置电流IB）可对开环跨导增益Gm进行连续调节。

　　具有电流模式电路的特点，如频带宽、高频性能好等。

　　应用

　　跨导放大器的应用非常广泛，主要可以分为两方面。一方面，在多种线性和非线性模拟电路和系统中进行信号运算和处理；另一方面，在电压模式信号系统和电流模式信号系统之间作为接口电路，将待处理的电压信号变换为电流信号，再送入电流模式系统进行处理。典型的应用包括音频处理、滤波器设计、调制器和解调器等。

　　跨导放大器作为一种重要的模拟电路元件，凭借其独特的电压-电流转换特性，在现代电子系统中发挥着重要作用。无论是双极型OTA还是CMOS跨导器，都在各自的领域内展现出卓越的性能和广泛的应用前景。

　　跨导放大器的工作原理

　　跨导放大器（Operational Transconductance Amplifier，简称OTA）是一种将输入差分电压转换为输出电流的放大器，因此它是一种电压控制电流源（VCCS）。其输入信号是电压，输出信号是电流，增益称为跨导，用Gm表示。跨导放大器类似于常规运算放大器，但其输出不是电压而是电流，这使得它在某些应用中具有独特的优势。

　　跨导放大器的核心是高阻抗的差分输入级，这使得它能够接收微弱的电压信号而不对信号源产生显著的负载效应。输入电压通过差分放大器转换为相应的输出电流。这种转换过程基于跨导的概念，即输入电压与输出电流之间的比例关系。跨导放大器的跨导值决定了输入电压变化时输出电流的变化幅度。

　　跨导放大器的内部结构通常包括一个差分放大器和一个电流源。差分放大器由两个输入端（非反相和反相）和一个输出端组成，其作用是将输入电压转换为电流信号。差分放大器对输入信号的增益由一个由场效应管（FET）构成的导纳放大器控制。当输入电压发生变化时，差分放大器的输出电流也会相应变化。

　　跨导放大器的输出级通常是一个电流源，它将差分放大器的输出电流分配给负载。负载可以是一个电阻、电容或其他电路元件。通过调节电流源的参数，可以实现对跨导放大器增益的调节。这种调节方式使得跨导放大器在各种应用中具有高度的灵活性。

　　跨导放大器的一个重要特性是其高频性能。由于其内部只有电压电流变换级和电流传输级，没有电压增益级，因此没有大摆幅电压信号和密勒电容倍增效应。这使得跨导放大器在高频条件下具有良好的性能，大信号下的转换速率也较高。此外，跨导放大器的电路结构简单，电源电压和功耗都可以降低，这使得它在便携式设备和低功耗应用中具有显著的优势。

　　跨导放大器广泛应用于各种电子系统中，特别是在模拟信号处理领域。例如，在传感器信号处理、生物医学工程、光纤通信等领域，跨导放大器被用来放大微弱的信号，提高信号的信噪比。此外，跨导放大器还被用于有源滤波器的设计中，特别是在高频集成电路领域，由OTA和电容构成的OTA-C滤波器被广泛应用。

　　跨导放大器是一种重要的电子元件，其工作原理基于电压控制电流的概念。其高输入阻抗、低功耗和高频性能使其在各种模拟信号处理应用中具有广泛的应用前景。

　　跨导放大器的作用

　　跨导放大器（Operational Transconductance Amplifier，OTA）是一种将输入差分电压转换为输出电流的放大器，因此它是一种电压控制电流源（VCCS）。跨导放大器在电子领域中扮演着重要的角色，具有广泛的应用和独特的功能。

　　跨导放大器的主要功能是将输入的电压信号转换为相应的电流信号。这种转换通过跨导增益（Gm）来实现，跨导增益的单位是西门子（S），1西门子等于1安培/伏特。跨导放大器的输入信号是电压，输出信号是电流，这种特性使得它在许多应用中具有优势。例如，在射频接收机中，跨导放大器可以将接收到的微弱电压信号转换为电流信号，以便进一步处理和放大。

　　跨导放大器具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点。高输入阻抗使得它能够与高阻抗信号源（如传感器、电极等）良好匹配，避免信号源的负载效应。低输出阻抗则使得它能够驱动低阻抗负载，提供稳定的电流输出。这种特性使得跨导放大器在传感器接口、生物医学信号处理等领域中得到广泛应用。

　　跨导放大器还具有良好的高频性能。由于跨导放大器内部没有电压增益级，因此没有大摆幅电压信号和密勒电容倍增效应，这使得它在高频信号处理中表现出色。跨导放大器的高频性能和大信号下的转换速率都较高，这使得它在通信系统、射频前端等领域中得到广泛应用。

　　跨导放大器还具有电控能力，可以通过外部控制信号调节其跨导增益。这种特性使得它在可调增益放大器、可编程增益放大器等应用中具有优势。例如，在音频处理领域，跨导放大器可以通过控制信号调节其增益，实现音量调节等功能。

　　在集成系统中，跨导放大器也具有重要的应用价值。由于跨导放大器的电路结构简单，电源电压和功耗都可以降低，这使得它在便携式设备、低功耗系统中得到广泛应用。例如，在移动电话、掌上电脑、笔记本电脑等便携式设备中，跨导放大器被用于实现低功耗的信号处理和放大。

　　跨导放大器在电子领域中具有广泛的应用和重要的作用。它能够将输入的电压信号转换为相应的电流信号，具有高输入阻抗、低输出阻抗、良好的高频性能和电控能力。这些特性使得跨导放大器在传感器接口、生物医学信号处理、通信系统、射频前端、便携式设备等领域中得到广泛应用。随着电子技术的不断发展，跨导放大器的应用领域和功能将会更加丰富和多样化。

　　跨导放大器的特点

　　跨导放大器（Operational Transconductance Amplifier, OTA）是一种将输入差分电压转换为输出电流的放大器，因此它是一种电压控制电流源（VCCS）。其独特的特性使其在各种模拟信号处理应用中具有重要地位。本文将详细探讨跨导放大器的特点。

　　跨导放大器的输入信号是电压，而输出信号是电流，增益被称为跨导，用Gm表示。这种特性使得跨导放大器既不是完全的电压模式电路，也不是完全的电流模式电路，而是一种电压-电流模式混合电路。由于内部只有电压-电流变换级和电流传输级，没有电压增益级，因此没有大摆幅电压信号和密勒电容倍增效应，高频性能好，大信号下的转换速率也较高。

　　跨导放大器具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点。高输入阻抗使得它能够与高阻抗信号源良好匹配，而低输出阻抗则使得它能够驱动低阻抗负载。这种特性使得跨导放大器在各种模拟信号处理应用中具有广泛的应用前景。

　　跨导放大器的增益（跨导）是可调的。双极型OTA的跨导增益值较高，增益可调而且可调范围也大（3～4个数量级）。这种可调性使得跨导放大器在各种应用中具有很高的灵活性。例如，在滤波器设计中，可以通过调整跨导来改变滤波器的截止频率和带宽。

　　跨导放大器的电路结构相对简单。由于没有电压增益级，电路中的MOS管数量较少，这不仅降低了功耗和所需的电源电压，还使得电路更容易实现高频性能。这种简单性使得跨导放大器在低压低功耗应用中具有显著优势。

　　跨导放大器也存在一些局限性。例如，CMOS跨导器的增益值较低，增益可调范围较小，或者不要求进行增益调节。此外，当输出负载电容较大时，尺寸比例的提高对于提升放大器摆率的作用程度是有限的，并且较大比例的放大器还会引入更大的寄生电容，这会影响放大电路的稳定性。

　　跨导放大器具有高频性能好、大信号下的转换速率高、电路结构简单、功耗低等特点，广泛应用于各种模拟信号处理领域。然而，为了在低压低功耗条件下实现更好的性能，研究人员正在不断探索和改进跨导放大器的设计方法。

　　跨导放大器的应用

　　跨导放大器（Operational Transconductance Amplifier，OTA）是一种将输入差分电压转换为输出电流的放大器，因此它是一种电压控制电流源（VCCS）。由于其高阻的差分输入级和可配合负反馈回路工作的特性，跨导放大器在许多领域得到了广泛应用。

　　跨导放大器在音频处理领域有着重要应用。例如，NE5517是一款常用的跨导型运算放大器，它采用电压输入-电流输出形式工作，增益由外接控制端控制。这种器件常用于环型调制器电路中，载波信号和调制电压分别输入，通过OTA的增益控制实现信号的调制。这种应用在音频效果器、合成器等设备中非常普遍。

　　跨导放大器在模拟信号处理中也有广泛应用。由于其输入信号是电压，输出信号是电流，增益叫跨导（Gm），这种特性使得跨导放大器在模拟信号处理电路中非常有用。例如，在有源滤波器、振荡器和放大器的设计中，跨导放大器可以实现电流模式信号处理，提高电路的性能和稳定性。

　　跨导放大器在低功耗应用中也有显著优势。传统的跨导放大器在低压低功耗下，其摆率与较大功耗的情况下相比，会大幅度下降。然而，通过设计新型的电流镜跨导放大器，可以在不增加功耗的情况下，实现摆率的显著提升。这种特性使得跨导放大器在便携式电子设备、无线传感器网络等领域具有重要应用价值。

　　跨导放大器还被广泛应用于非线性电路设计中。例如，采用电流差分跨导放大器（CDTA）可以实现电流限幅器、精密整流器、逐段线性函数近似发生器等非线性元件和网络的设计。通过调节CDTA的跨导增益（Gm），可以编程传递曲线的断点和斜率，实现对电路参数的精确控制。

　　跨导放大器由于其独特的电压控制电流源特性，在音频处理、模拟信号处理、低功耗应用和非线性电路设计等领域具有广泛的应用前景。随着技术的不断进步，跨导放大器的性能将进一步提升，应用领域也将更加广泛。

　　跨导放大器如何选型

　　跨导放大器（Operational Transconductance Amplifier，OTA）是一种将输入差分电压转换为输出电流的放大器，因此它是一种电压控制电流源（VCCS）。由于其高阻的差分输入级和可配合负反馈回路工作的特性，使得跨导放大器类似于常规运算放大器。然而，OTA的输入信号是电压，输出信号是电流，增益称为跨导，用Gm表示。根据应用需求的不同，选择合适的跨导放大器型号至关重要。以下是一些选型指南，帮助工程师们在众多选项中做出明智的选择。

　　1. 确定应用需求

　　首先，明确你的应用需求是选择跨导放大器的基础。考虑以下问题：

　　工作频率范围：确定你的信号是直流还是交流，以及所需的工作频率范围是多少。

　　电压范围：确定输入和输出信号的电压范围，以及对于输入输出之间的电绝缘性能是否有特殊要求。

　　精度和稳定性：如果应用对精度和稳定性要求较高，需要选择具有高性能规格的放大器。

　　2. 选择适当的电压范围

　　跨导放大器通常设计用于在高电压范围内工作。确保选择的放大器具有足够的电压容量，以满足应用的需求。考虑输入信号的峰值电压和输出信号的需求，以确定所需的放大倍数和电压容量。例如，NE5517是一款常用的跨导放大器，其输入电压范围为±15V，输出电流范围为±10mA。

　　3. 注意带宽和频率响应

　　不同的跨导放大器在频率响应上有所不同。选择一个适当的带宽，确保放大器能够处理应用中的所需频率范围。特别是在高频应用中，带宽的选择尤为重要，以防止信号失真和衰减。例如，LM13700是一款具有宽频带响应的跨导放大器，其带宽可达10MHz。

　　4. 考虑输入和输出阻抗

　　跨导放大器的输入和输出阻抗对系统的匹配和稳定性有重要影响。选择与你的传感器或负载匹配的放大器，以最大限度地提高信号传输效率。例如，OPA657是一款具有高输入阻抗和低输出阻抗的跨导放大器，适用于高精度测量应用。

　　5. 查看保护功能

　　考虑放大器的保护功能，如过载保护、过温保护和短路保护等。这些功能可以提高系统的稳定性和可靠性，防止放大器在极端条件下受到损害。例如，AD8221是一款具有过压保护功能的跨导放大器，适用于工业自动化应用。

　　6. 注意信噪比和失真指标

　　对于需要高精度的应用，信噪比和失真是关键指标。选择具有低噪声和低失真性能的放大器，以确保高质量的信号放大。例如，LT1028是一款具有低噪声和低失真性能的跨导放大器，适用于高精度数据采集系统。

　　7. 考虑电源需求和功耗

　　最后，考虑电源需求和功耗。选择符合系统电源规格的放大器，并确保其功耗在系统能够容忍的范围内。例如，MAX4166是一款低功耗跨导放大器，适用于电池供电的便携式设备。

　　8. 其他考虑因素

　　除了上述因素，还应考虑放大器的温度稳定性、封装形式、成本等因素。例如，OPA1678是一款具有优异温度稳定性的跨导放大器，适用于精密仪器仪表应用。

　　结论

　　选择合适的跨导放大器需要综合考虑应用需求、电压范围、带宽、输入输出阻抗、保护功能、信噪比和失真指标、电源需求和功耗等多个因素。通过仔细分析和比较不同型号的放大器，可以找到最适合你应用需求的跨导放大器，从而提高系统的性能和可靠性。