Когда мне следует задуматься об операционном усилителе на крутизне (OTA)?

Какая интуиция или эмпирические правила могли бы верно указать мне, когда рассматривать OTA вместо «обычного» операционного усилителя; возможно, проиллюстрировано какими-либо «классическими» приложениями, где было бы предпочтительнее использовать OTA (и почему)?

Вы не можете сравнивать OTA с обычным операционным усилителем. Операционные усилители — это простые строительные блоки, которые вы обычно «настраиваете» для выполнения одной фиксированной операции, добавляя к ней компоненты.

OTA аналогичны, но имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что после того, как вы «настроили» их, вы все равно можете управлять некоторыми аспектами работы (скажем, усилением), применяя управляющий ток.

Ключевое отличие состоит в том, что OTA имеет три входа, а ваш операционный усилитель — только два. Помимо двух дифференциальных входных клемм, которые используются OTA и OpAmp, у OTA есть третий вход, который позволяет вам установить коэффициент усиления усилителя путем подачи тока.

Этот третий вход позволяет вам делать вещи, которые вы просто не можете реализовать с помощью простого операционного усилителя: OTA может умножать два изменяющихся во времени сигнала!

С другой стороны, операционный усилитель также может умножать (или усиливать), но только один сигнал изменяется во времени (тот, что на дифференциальном входе). Другой коэффициент, который входит в умножение, является постоянным и определяется резисторами обратной связи.

Типичными вариантами использования OTA являются « усилители, управляемые напряжением ».

Допустим, вы хотите контролировать громкость аудиосигнала. Для стереосигнала вы можете использовать стереопотенциометр, ослабить сигнал, а затем буферизовать его с помощью операционного усилителя. Хорошо, но как бы вы сделали то же самое, если бы имели дело с более чем двумя каналами? Звуковая система 5.1, например? Вероятно, вы не найдете потенциометры с более чем двумя каналами.

Здесь на помощь приходят OTA: вы можете использовать один потенциометр для генерации управляющего напряжения и подачи его на любое количество усилителей, управляемых напряжением. Теперь, повернув одну ручку, вы можете регулировать громкость любого количества аудиоканалов по своему усмотрению.

Другим распространенным применением является автоматическая регулировка усиления . Здесь сигнал усиливается в зависимости от его амплитуды. Сигнал с низкой амплитудой сильно усиливается, а сигнал с высокой амплитудой просто буферизуется. Целью здесь является получение на выходе сигнала с меньшим динамическим диапазоном. Это может избежать клиппирования сигнала и предотвратит заглушение низкоамплитудных частей шумом. 20 лет назад такие схемы можно было найти в диктофонах, телефонах, магнитофонах и т. д. В настоящее время эта работа дешевле, чем в программном обеспечении.

Еще одна большая область, в которой используются OTA, - это « фильтры, управляемые напряжением ». Здесь вы управляете не усилением сигнала, а частотой среза фильтра. Около половины всех фильтров аналоговых синтезаторов восьмидесятых основаны на OTA.

С точки зрения схемотехники операционные усилители и OTA также используются по-разному:

Операционные усилители почти всегда используются в конфигурации с обратной связью. Например, вы почти всегда найдете резистор или другой компонент, который идет от выхода к отрицательному входу. Как вы, наверное, знаете, это использовалось для снижения очень высокого коэффициента усиления операционного усилителя без обратной связи до некоторого полезного уровня.

С другой стороны, OTA очень редко используются в конфигурации с замкнутым контуром , например, вы не найдете типичный резистор от выхода к отрицательному входу. Это связано с тем, что они изначально не имеют высокого коэффициента усиления без обратной связи. В конце концов, усиление OTA определяется током, поступающим на вход управления усилением.

Это имеет несколько последствий: подумайте о повторителе напряжения, построенном на основе операционного усилителя. Выход операционного усилителя напрямую подключается к отрицательному входу. Если вы подаете напряжение на положительный вход, отрицательная обратная связь гарантирует, что разница напряжений между дифференциальными входами будет почти нулевой.

Поскольку в схемах OTA редко бывает отрицательная обратная связь, также нет механизма для поддержания одинакового напряжения на дифференциальных входах. Вместо этого вы найдете огромный делитель напряжения перед входами, который удерживает максимальную разницу напряжений на входных клеммах на уровне от 10 мВ до 30 мВ (эмпирическое правило). Если вы превысите это значение, OTA станет все более и более нелинейным и будет выдавать сильно искаженный сигнал.

Что касается вашего регулятора напряжения: это действительно плохой вариант использования OTA, потому что вам не нужна функция программирования усиления. Вы можете создать его с помощью OTA, но крутая функция OTA будет бесполезна.

В дополнение к уже упомянутым областям применения я хотел бы добавить следующее:

• OTA - по сравнению с операционными усилителями напряжения - могут быть легко реализованы в виде интегральных схем (более простая конструкция, меньше каскадов). Следовательно, можно реализовать, например, полностью интегрированные ИС фильтров (фильтры OTA-C, фильтры gm-C, фильтры с переключаемыми конденсаторами). Еще одним преимуществом является то, что наиболее важный блок фильтров (интегратор) может быть реализован с заземленными конденсаторами.

• ОТА используются в качестве управляемых (заземленных) резистивных элементов. Для этого мы применяем полный отрицательный отзыв. В этом случае сопротивление между инв. вход и земля r=1/gm (крутизна gm).