Wann sollte ich einen Transkonduktanz-Operationsverstärker (OTA) in Betracht ziehen?

Welche Intuitionen oder Faustregeln würden mich zuverlässig anleiten, wann ich einen OTA anstelle eines "normalen" Operationsverstärkers in Betracht ziehen sollte? vielleicht veranschaulicht durch "klassische" Anwendungen, bei denen ein OTA bevorzugt würde (und warum)?

Sie können einen OTA nicht wirklich mit einem normalen OpAmp vergleichen. OpAmps sind einfache Bausteine, die Sie normalerweise „konfigurieren“, um eine feste Operation auszuführen, indem Sie Komponenten darum herum hinzufügen.

OTAs sind ähnlich, haben aber den zusätzlichen Vorteil, dass Sie, nachdem Sie sie "konfiguriert" haben, immer noch bestimmte Aspekte des Betriebs (sagen wir die 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 differenziellen Eingangsanschlüssen, die sich ein OTA und ein OpAmp teilen, verfügt der OTA über einen dritten Eingang, mit dem 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 umsetzen können: Der OTA ist in der Lage, zwei zeitvariable Signale zu multiplizieren!

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

Typische Anwendungsfälle von OTAs sind „ Voltage Controlled Amplifiers “.

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

Abhilfe schaffen hier OTAs: Sie können mit einem einzigen Potentiometer eine Steuerspannung erzeugen und beliebig vielen spannungsgesteuerten Verstärkern zuführen. Mit dem Drehen eines einzigen Knopfes können Sie jetzt die Lautstärke einer beliebigen Anzahl von Audiokanälen nach Belieben steuern.

Eine weitere häufige Anwendung sind automatische Verstärkungsregelungen . Hier wird ein Signal anhand seiner Amplitude verstärkt. Ein Signal mit niedriger Amplitude wird stark verstärkt, während ein Signal mit hoher Amplitude nur gepuffert wird. Ziel ist es hier, am Ausgang ein Signal mit geringerer Dynamik zu erzeugen. Dies kann ein Abschneiden des Signals vermeiden und verhindern, dass Teile mit niedriger Amplitude im Rauschen begraben werden. Vor 20 Jahren fand man solche Schaltungen in Diktiergeräten, Telefonen, Tonbandgeräten usw. Heutzutage wird die Arbeit billiger in Software erledigt.

Ein weiteres großes Einsatzgebiet von OTAs sind „ Voltage Controlled Filters “. Hier steuern Sie nicht die Verstärkung eines Signals, sondern die Grenzfrequenz eines Filters. Etwa die Hälfte aller analogen Synthesizer-Filter der Achtziger basieren auf OTAs.

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

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

OTAs hingegen werden sehr selten in Closed-Loop-Konfigurationen verwendet , z. B. finden Sie nicht den typischen Widerstand vom Ausgang zum negativen Eingang. Dies liegt daran, dass sie von Anfang an nicht über die hohe Open-Loop-Verstärkung verfügen. Die Verstärkung der OTAs wird schließlich durch den Strom definiert, der in den Verstärkungssteuereingang 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, sorgt die negative Rückkopplung dafür, dass die Spannungsdifferenz zwischen den Differenzeingängen nahezu Null ist.

Da in OTA-Schaltungen selten eine negative Rückkopplung auftritt, gibt es auch keinen Mechanismus, um die Differenzeingänge auf derselben Spannung zu halten. Stattdessen findet man vor den Eingängen einen riesigen Spannungsteiler, der die maximale Spannungsdifferenz der Eingangsklemmen bei 10mV bis 30mV (Faustregel) hält. 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 Programmierung der Verstärkung nicht benötigen. Sie könnten einen mit einem OTA erstellen, aber die coole Funktion des OTA wäre nicht von Nutzen.

Zu den bereits genannten Anwendungsbereichen möchte ich noch folgendes hinzufügen:

• OTAs können - im Vergleich zu Spannungs-Operationsverstärkern - leicht als integrierte Schaltungen realisiert werden (einfacheres Design, weniger Stufen). Damit lassen sich beispielsweise vollintegrierte Filter-ICs (OTA-C-Filter, gm-C-Filter, Switched-Capacitor-Filter) 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 Erde ist r = 1/gm (gm-Steilheit).