Wann sollte ich einen betriebsbereiten Transkonduktanzverstärker (OTA) in Betracht ziehen?


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Ich habe ein paar Fragen gefunden, die ungefähr damit zusammenhängen:

Aber nicht alle haben Antworten und keiner liefert den Einblick, den ich suche.

Ich bin ziemlich zufrieden mit meinem Verständnis von "konventionellen" Operationsverstärkern wie dem LM358 und wenn ich einen davon für ein Schaltungsdesign in Betracht ziehen sollte.

Heute bin ich jedoch auf einen Chip gestoßen, den LM13700, der als Operational Transconductance Amplifier (OTA) bezeichnet wird.

Ich verstehe Transkonduktanz als die Umwandlung einer Spannung in einen Strom, daher ist es für mich sinnvoll, dass ein OTA irgendwie (Differenz-) Spannung als Eingang nimmt und eine proportionale Strommenge als Ausgang und nicht als proportionale Spannung liefert. Was ich nicht habe, ist eine Intuition dafür, wann so etwas in einer Schaltung vorzuziehen ist.

Meine Frage ist: Welche Intuitionen oder Faustregeln würden mich genau leiten, wann ich einen OTA anstelle eines "normalen" Operationsverstärkers in Betracht ziehen sollte ? Vielleicht durch "klassische" Anwendungen veranschaulicht, bei denen eine OTA bevorzugt wird (und warum)?

Eine vage Vorstellung, die ich für eine Anwendung habe, ist ein linearer Spannungsregler, an dem ich arbeite, bei dem der Operationsverstärker einen Transistor ansteuert, um den Strom vom Durchgangstransistor wegzuleiten. konzeptionell so (Komponentenwerte nominal):

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab

Dies stellt ein Stabilitätsproblem dar, da der Ausgangsspannungsbereich des Operationsverstärkers ungefähr so ​​eng ist V.B.E.+/- einige zehn Millivolt, um den Basisstrom von 0 mA auf 20 mA zu ändern. Vielleicht ist das ein guter Job für eine OTA?

Bin ich auf dem richtigen Weg? Welche Intuition darüber, wann ein OTA in Betracht gezogen werden sollte, würde meine Designfähigkeiten verbessern?

Antworten:


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Welche Intuitionen oder Faustregeln würden mich genau leiten, wann ich einen OTA anstelle eines "normalen" Operationsverstärkers in Betracht ziehen sollte? Vielleicht durch "klassische" Anwendungen veranschaulicht, bei denen eine OTA bevorzugt wird (und warum)?

Sie können einen OTA nicht wirklich mit einem normalen OpAmp vergleichen. OpAmps sind einfache Bausteine, die Sie normalerweise für eine feste Operation "konfigurieren", indem Sie Komponenten hinzufügen.

OTAs sind ähnlich, haben jedoch den zusätzlichen Vorteil, dass Sie nach dem "Konfigurieren" bestimmte Aspekte des Betriebs (z. B. Verstärkung) durch Anlegen eines Steuerstroms steuern können.

Der Hauptunterschied besteht darin, dass ein OTA drei Eingänge hat, während Ihr OpAmp nur zwei hat. Neben den beiden Differenzeingangsanschlüssen, die ein OTA und ein OpAmp gemeinsam nutzen, verfügt der OTA über einen dritten Eingang, über den Sie die Verstärkung des Verstärkers durch Anlegen eines Stroms einstellen können.

Mit diesem dritten Eingang können Sie Dinge tun, die Sie mit einem einfachen OpAmp einfach nicht implementieren können: Der OTA kann zwei zeitlich variierende Signale multiplizieren!

Der OpAmp hingegen kann auch multiplizieren (oder verstärken), aber nur ein Signal variiert zeitlich (das am Differenzeingang). Der andere Faktor, der in die Multiplikation einfließt, ist konstant und wird durch die Rückkopplungswiderstände definiert.

Typische Anwendungsfälle von OTAs sind " spannungsgesteuerte Verstärker ".

Nehmen wir an, Sie möchten die Lautstärke eines Audiosignals steuern. Für ein Stereosignal können Sie ein Stereopotentiometer verwenden, das Signal dämpfen und dann mit einem OpAmp puffern. Gut, aber wie würden Sie dasselbe erreichen, wenn Sie mit mehr als zwei Kanälen arbeiten? Ein 5.1 Soundsystem zum Beispiel? Sie werden wahrscheinlich keine Potentiometer mit mehr als zwei Kanälen finden.

Hier helfen OTAs: Mit einem einzigen Potentiometer können Sie eine Steuerspannung erzeugen und einer beliebigen Anzahl spannungsgesteuerter Verstärker zuführen. Mit einem einzigen Knopf können Sie jetzt die Lautstärke einer beliebigen Anzahl von Audiokanälen nach Belieben steuern.

Eine weitere häufige Verwendung sind automatische Verstärkungsregler . Hier wird ein Signal basierend auf seiner Amplitude verstärkt. Ein Signal mit niedriger Amplitude wird stark verstärkt, während ein Signal mit hoher Amplitude nur gepuffert wird. Ziel ist es, am Ausgang ein Signal mit geringerem Dynamikbereich zu erzeugen. Dies kann ein Übersteuern des Signals vermeiden und verhindern, dass Teile mit niedriger Amplitude in Rauschen vergraben werden. Vor 20 Jahren fanden Sie diese Art von Schaltkreisen in Diktiergeräten, Telefonen, Tonbandgeräten usw. Heutzutage ist die Arbeit in Software billiger.

Ein weiteres großes Feld, in dem OTAs verwendet werden, sind " spannungsgesteuerte Filter ". Hier steuern Sie nicht die Verstärkung eines Signals, sondern die Grenzfrequenz eines Filters. Etwa die Hälfte aller analogen Synthesizerfilter aus den achtziger Jahren basiert auf OTAs.

Aus Sicht des Schaltungsdesigns werden OpAmps und OTAs ebenfalls unterschiedlich verwendet:

OpAmps werden fast immer in einer Konfiguration mit geschlossenem Regelkreis verwendet. ZB finden Sie fast immer einen Widerstand oder eine andere Komponente, die vom Ausgang zum negativen Eingang geht. Wie Sie wahrscheinlich wissen, wurde dadurch die sehr hohe Open-Loop-Verstärkung eines OpAmp auf ein nützliches Niveau gesenkt.

OTAs hingegen werden in Konfigurationen mit geschlossenem Regelkreis sehr selten verwendet , z. B. finden Sie den typischen Widerstand vom Ausgang zum negativen Eingang nicht. Dies liegt daran, dass sie zunächst nicht die hohe Open-Loop-Verstärkung haben. Die Verstärkung der OTAs wird schließlich durch den Strom definiert, der in den Verstärkungsregelungseingang fließt.

Dies hat mehrere Konsequenzen: Denken Sie an einen Spannungsfolger, der um einen OpAmp herum aufgebaut ist. Der Ausgang des OpAmp ist direkt mit dem negativen Eingang verbunden. Wenn Sie eine Spannung an den positiven Eingang anlegen, stellt die negative Rückkopplung sicher, dass die Spannungsdifferenz zwischen den Differenzeingängen nahezu Null ist.

Da es in OTA-Schaltkreisen selten eine negative Rückkopplung gibt, gibt es auch keinen Mechanismus, um die Differenzeingänge auf der gleichen Spannung zu halten. Stattdessen finden Sie vor den Eingängen einen riesigen Spannungsteiler, der die maximale Spannungsdifferenz der Eingangsanschlüsse bei 10 mV bis 30 mV hält (Faustregel). Wenn Sie darüber hinausgehen, wird der OTA immer nichtlinearer und gibt ein stark verzerrtes Signal aus.


In Bezug auf Ihren Spannungsregler: Dies ist wirklich ein schlechter Anwendungsfall für einen OTA, da Sie die Funktion zur Verstärkungsprogrammierbarkeit nicht benötigen. Sie könnten eine mit einem OTA erstellen, aber die coole Funktion des OTA wäre nicht von Nutzen.


Sehr schöne Antwort @Nils, du bekommst das grüne Häkchen :) Nachdem ich deine Antwort gelesen hatte, fand ich dieses Video auf YouTube über einen OTA-basierten spannungsgesteuerten Verstärker youtube.com/watch?v=BbaJ6TOmyVo . Der Autor steuert damit die Lautstärke von Mozart von seinem iPod aus mit einem Rechtecksignal. Jetzt habe ich den intuitiven Sinn, den ich gesucht habe :) Ich kann auch sehen, wie es in Modulationsschaltungen usw. Anwendung finden würde. Sehr cool! :)
Scanny

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Zusätzlich zu den bereits erwähnten Anwendungsbereichen möchte ich Folgendes hinzufügen:

  • OTAs können - im Vergleich zu Spannungsoperatoren - leicht als integrierte Schaltkreise realisiert werden (einfacherer Aufbau, weniger Stufen). Somit ist es möglich, beispielsweise vollständig integrierte Filter-ICs (OTA-C-Filter, gm-C-Filter, Schaltkondensatorfilter) zu realisieren. Als weiterer Vorteil kann der wichtigste Filterblock (Integrator) mit geerdeten Kondensatoren realisiert werden .

  • OTAs werden als steuerbare (geerdete) Widerstandselemente verwendet. Zu diesem Zweck wenden wir volles negatives Feedback an. In diesem Fall ist der Widerstand zwischen inv. Eingang und Masse sind r = 1 / g (g Transkonduktanz).

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