Aufgabe eines Transkonduktanzverstärkers (Englische Abkürzung: OTA) ist es, eine Differenzspannung am Eingang in einen Strom am Ausgang umzuwandeln. Dies findet vor allem bei Verstärkern als Eingangsstufe Anwendung. Ziel ist es eine hohe Verstärkung, einen großen Ausgangsspannungsbereich und einen großen Gleichtakt Eingangsspannungsbereich zu erreichen. In diesem Beitrag zeige ich einfache, grundlegende Realisierungen.
Einfacher OTA:
Der einfachste OTA besteht aus nur 4 Transistoren. Grundlage bildet ein differenzielles Eingangspaar, bestehend aus M1 und M2. Der durch M1 bewegte Strom wird über den Stromspiegel bestehend aus M3 und M4 in den “M2”-Pfad rüber gespiegelt, wo sich der Ausgang befindet. Der Arbeitspunkt wird über die Stromquelle eingestellt.
Vorteile:
- Einfach
- Stabil bei jeder Last
- Hohe Effizienz
Nachteile
- begrenzter DC Gain
- Miller Effekt
- Limitierter Ausgangsspannungsbereich
- Limitierter Gleichtakt Eingangsspannungsbereich
Teleskop OTA:
Der Teleskop OTA ist eine Erweiterung des einfachen OTA’s mit einer Kaskode, bestehend aus M3 und M4 und einem Kaskode-Stromspiegel (M5, M6, M7, M8).
Vorteile:
- Einfach
- Effizient
- Hohes DC Gain
- kein Miller Effekt
Nachteile:
- Limitierter Ausgangsspannungsbereich
- Limitierter Gleichtakt Eingangsspannungsbereich
Folded-Cascode OTA:
Beim Folded-Cascode OTA ist das differenzielle Eingangspaar von der Kaskode und dem Stromspiegel getrennt. Dieses Design ermöglicht somit auch Rail-to-Rail Designs durch spezielle Schaltungen beim Eingangspaar.
Vorteile:
- Hohes DC Gain
- kein Miller Effekt
- großer Ausgangsspannungsbereich
- großer Gleichtakt Eingangsspannungsbereich
Nachteile:
- Schlechte Leistung-Effizienz
- Mehr Mismatch und Rauschen im Vergleich zum Telescopic OTA
Symmetrischer OTA:
Das Besondere beim Symmetrischen OTA sind die Stromspiegel M3, M4 und M5, M6. Der Trick ist, dass die Transistoren M4 und M6 größer sind (diskret mehrere parallel). Dadurch kann mehr Strom am Ausgang umgesetzt. Das verbessert das Gain-Bandbreite Produkt und die Flankensteilheit.
Vorteile:
- hohes DC Gain
- verbesserte Bandbreite und Slew Rate durch größere Stromspiegel
- Großer Ausgangsspannungsbereich
- Reduzierter Miller Effekt
Nachteile:
- Begrenzter Gleichtakt Eingangsspannungsbereich