2024ADI模拟实验挑战题4 - CA3080跨导放大器内部电路
一. 简介
CA3080是一种跨导放大器（Operational Transconductance Amplifier，简称OTA），其特征是把输入电压转换为输出电流。不同于常见的运算放大器，CA3080的输出与输入的电压差成正比，但其增益由一个控制电流（Iabc，Amplifier Bias Current）来控制。
二. 内部电路结构
CA3080 的内部电路主要包括以下几个部分：
- 差分输入级
- 恒流源（电流镜）
- 跨导输出级
2.1 差分输入级
- 由两个差分输入晶体管（Q1和Q2）组成，分别处理非反相输入（IN+）和反相输入（IN-）。
- 这种设计确保了比较两个输入信号间的电压差，并且提高了放大器的输入阻抗，减少了输入噪声。
2.2 恒流源（电流镜）
- 电流镜电路提供稳定的偏置电流，确保差分输入级和跨导输出级稳定运行。
- 恒流源的设计有助于提高电路的线性度和跨导特性。
2.3 跨导输出级
- 这是CA3080的核心部分，它将输入电压转换为输出电流。跨导（gm）是控制电流Iabc的函数。
- 输出电流Iout正比于输入电压差（V+ - V-）和跨导（gm = Iabc / 2VT，其中VT是热电压，约26mV在室温下）。
三. 工作原理
CA3080通过管理输入差分电压和控制电流Iabc来实现跨导放大效果：
- 输入电压处理：
- 非反相输入（IN+）和反相输入（IN-）施加到差分输入级晶体管基极。
- 差分输入级放大两个输入信号的电压差。
- 电流镜提供偏置电流：
- 电流镜为整个放大器提供稳定的工作电流，并确保电流的稳定性和线性度。
- 跨导输出：
- 在输出级，跨导（gm）是由控制电流Iabc决定的。
- 输出电流Iout = gm * (V+ - V-) = (Iabc / 2VT) * (V+ - V-)。
- 也就是说，输出电流与输入电压的差值和控制电流Iabc成正比。
四·实验数据
电路仿真如图：跨导放大器OTA的输入信号是电压，输出信号是电流，它是一种电压电流混和模式电路。
CA3080接入少量的外部电路，即可构成一个放大器，如果输入电压偏高，可以经过电阻分压之后，产生较小的电压接入反相输入端，同相输入端接地，偏置电流输入端可通过接入5V电压和1k电阻R1来实现，输出端接47Ω负载电阻RL对地。
测试仿真如图：输入信号峰峰值为1.97mv，输出信号约为14.55mv，放大倍数约为7倍
KiCad原理图展示：原理图依照内部电路来进行绘制，外围电路通过面包板进行搭建
KiCadPCB展示：布局根据原理图进行，需要外接的端口都放置了排针方便杜邦线的链接
电路实物展示：此电路板包括内部电路以及外围电路，PCB的布局和原理图一致
3.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
测试实物展示：
我们通过示波器测试之后发现出现了一些毛刺，这些就可能是由于使用了杜邦线或者器件选型有点误差而导致的，但瑕不掩瑜我们还是可以正常观测波形。
4.用ADALM2000的网络分析仪测量电路的幅频特性，并记录。
我们使用了m2k的仪器来测试，可以从使用的网络分析仪模式看出他在1000khz之前都是在正常工作的由于他是在0~180来回反转所以看以看到紫色的状态，但是在1000khz之后就已经不能再正常工作了超过了它所正常工作而带宽
五. 特点与优势
- 可控增益：CA3080的增益（跨导gm）可以通过调节Iabc来控制，这使得它在电路设计中具有高度的灵活性。
- 线性度高：恒流源的设计和高输入阻抗，提高了放大器的线性度，减小了失真。
- 宽频带：由于其结构设计，CA3080在宽频带内表现出良好的放大特性。
- 低功耗：适用于需要低功耗的应用场合。
六. 实际应用效果
- 模拟计算：由于跨导放大器能够直接对电流进行运算和处理，CA3080常用于模拟计算电路中。
- 自动增益控制（AGC）：通过控制电流Iabc，CA3080适用于各种自动增益控制应用。
- 振荡器和滤波电路：与外部元件结合，CA3080可以用来构建自适应滤波器和振荡器电路。
- 放大器：在需要将输入信号电压转为电流信号进行放大的场景中，CA3080具有显著的效果。
七.总结
CA3080跨导放大器通过其差分输入级、恒流源和跨导输出级，提供了高度可控和线性的电压-电流转换效果。它的灵活性和高性能，使其在多种模拟信号处理应用中表现出色。
小熊熊breePeking