内容介绍

实验介绍

跨导放大器OTA的输入信号是电压，输出信号是电流，因此它是一种电压电流混和模式电路。图1所示是CA3080跨导放大器的内部电路，该放大器的输入级为电压差分输入，T1 T2将电压转换为电流后分别送入T7 T8 T9和T12 T13 T14所组成的电流放大电路中进行放大。T15 T16 T17组成一个威尔逊电流源用于将负输入端的电流转换到输出端，最后运放单端输出的电流是T12 T13 T14与T7 T8 T9组成的电流放大电路输出电流之和。

图1

在实际电路中，偏置电流 $I_{B}$ 可以通过外加偏置电压与电阻来组成简单的电流源（见后文仿真电路），负载端连接较小的负载电阻。跨导决定着输入电压 $V_{I_{+}} - V_{I_{-}}$ 到输出电流 $I_{o}$ 的放大倍数，跨导数值由偏置电流决定，故通过改变偏置电压或串联电阻就可以对增益的线性改变。该跨导放大器的电压增益 $A_{V}$ 与跨导 $G$ 和输出电阻 $R_{L}$ 成正比，具体关系表示为 $A_{V} = - G * R_{L}$ 。

实验步骤

1、按照内部原理图搭建实验电路；

2、调整合适的信号源电压接入电路输入端，用示波器观察电路的输入和输出波形，并记录。

3、用ADALM2000的网络分析仪测量电路的幅频特性，并记录。

电路仿真

本电路使用Tina进行电路仿真，仿真文件见4_4.TSC，电路仿真图如下所示。放大器对晶体管的不对称性非常敏感，因此本设计中电流镜与差分对均使用匹配差分对管DMMT3904/3906实现。

图2

瞬态测试：VB=5V时差分对的尾电流源（AM1）设置为1.38mA，同时反向输入端（VG1）输入1KHz 100mVpp信号，同相输入端接地，输出端接470Ω电阻。输出端测量到电压峰峰值为960mVpp，电路放大倍数为9.6倍。

图3

VB=2V时差分对的尾电流源（AM1）设置为0.935mA，同时反向输入端（VG1）输入1KHz 100mVpp信号，同相输入端接地，输出端接470Ω电阻。输出端测量到电压峰峰值为656.8mVpp，电路放大倍数为6.6倍。

图4

交流传输特性测试：VB=2V时差分对的尾电流源（AM1）设置为0.935mA，测量VG1到VF1的交流传输特性。该跨导放大器呈现低通特性且小信号增益18.47dB，带宽大概为9.04MHz。

图5

板卡设计

使用立创EDA专业版设计板卡原理图与PCB，该板为双层板，尺寸40mm*20.5mm。原理图、PCB与实物图如下所示，源文件可见附件4_4.epro。

图6

图7

实验测试

按照下图连接板卡与ADALM 2000，其中V+连接到VB提供偏置，2+连接到输出端口OUT，1+连接到IN_N用于交流特性测试，W1连接到同向输入端IN_N，W2连接到反向输入端IN_P。

图8

VB=5V时，IN_N输入1KHz 100mVpp，输出1KHz 945.88mVpp。计算的增益约为9.5倍，与仿真得到的9.6倍相符。

图9

VB=2V时，IN_N输入1KHz 100mVpp，输出1KHz 945.88mVpp。计算的增益约为9.5倍。计算的增益约为6.7倍，与仿真得到的6.6倍相符。

图10

VB=2V时运行交流传输特性测试时，测量到小信号低频增益为17.13dB，带宽为6.23MHz。该测试参数与仿真的小信号增益18.47dB，带宽9.04MHz相符。

图12

总结

CA3080相较于传统的电压放大器在工作原理与使用上有较大的区别，电流放大器往往拥有更强的负载驱动能力与噪声抑制能力，因此在传感器放大电路中应用十分广泛。本项目首先通过对其内部工作原理的分析，得到了电压增益与偏置电流、负载电阻线性相关的结论。通过设计基本的放大器测试电路，借助仿真软件实现电路仿真，然后通过ADALM 2000对电路调试并测量输入输出信号与幅频特性。最后得到了在2V偏置、负载电阻470情况下，低频小信号增益17.13dB，带宽6.23MHz的跨导放大器，均与仿真相吻合。