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)放大器通常會有一個額外的電流輸入端，用以控制放大器的跨導(dǎo)。高阻的差分輸入級、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)過處理的輸入信號，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)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器處理的輸出信號。這個處理過程并不簡單，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，為它們提供信號的信號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（簡稱“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。其輸出信號可以是輸入信號加、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)放如圖有兩個輸入端a（反相輸入端），b（同相輸入端）和一個輸出端o。也分別被稱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)際方向相對公共端恰好相同。為了區(qū)別起見，a端和b 端分別用“-”和“+”號標(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)放簡單地視為：具有一個信號輸出端口（Out）和同相、反相兩個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與兩個輸入端的信號電壓差成正比，在音頻段有：輸出電壓=A0（E1-E2），其中，A0 是運(yùn)放的低頻開環(huán)增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的輸入信號電壓，E2 是反相端的輸入信號電壓。

　　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）來設(shè)計(jì)一個優(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，一個光電二極管當(dāng)曝露在光線中時(shí)可產(chǎn)生一個電流或電壓輸出，而跨導(dǎo)放大器（TIA）便是將這個很弱的電流轉(zhuǎn)換成一個可用的電壓信號，通常跨導(dǎo)放大器均需經(jīng)過補(bǔ)償才能正常工作。本文將會探討一個用345MHz的軌到軌輸出，電壓反饋放大器（例如是美國國家半導(dǎo)體的LMH6611）來實(shí)現(xiàn)的簡單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)生了一個零點(diǎn)。在較高的頻率下，在環(huán)路附近會出現(xiàn)過大的相移，使得跨導(dǎo)放大器絕對不穩(wěn)定。

　　為了保持穩(wěn)定性，需要加入一個反饋電容（CF）與RF并聯(lián)以便在噪聲增益函數(shù)中的fP處構(gòu)建一個極點(diǎn)。通過選用合適容值的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)算放大器的開環(huán)增益。這個在AOL和噪聲增益交點(diǎn)以上的噪聲增益斜率“平坦化”會得到一個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)會貢獻(xiàn)一個45度的相位超前，因此給出了一個45度的相位余量（假設(shè)fP和fZ之間最少有10MHz的距離）。