Transkonduktanzverstärker

Ein Transkonduktanzverstärker (VC-OPV), auch als Operational-Transconductance-Amplifier (OTA) bezeichnet, ist ein spezieller Operationsverstärker, der die Differenzspannung an den beiden Eingängen in einen proportionalen Ausgangsstrom umwandelt. Üblicherweise wird er wie alle Operationsverstärker als integrierte Schaltung realisiert.

Allgemeines

Schaltsymbol eines Transkonduktanzverstärkers

Schaltsymbol eines OTA wie es in der meist englischsprachigen Fachliteratur üblich ist

Im Gegensatz zum klassischen Operationsverstärker mit niederohmigem Spannungsausgang besitzt der Transkonduktanzverstärker einen hochohmigen Stromausgang.

Weitere Unterschiede zum Operationsverstärker mit Spannungsausgang sind:

1. VC-OPV sind intern nur mit Transistoren und Dioden ohne ohmsche Widerstände realisiert. ^[1] VC-OPV können wie alle andere OPV-Typen mit Bipolartransistoren oder Feldeffekttransistoren aufgebaut werden.
2. Der VC-OPV kann ohne externe Gegenkopplung mit offener Schleife linear betrieben werden. Dies ist deswegen möglich, da der am Ausgang zwingend notwendige Widerstand die Ausgangsspannung beeinflusst und durch Wahl eines entsprechenden externen Widerstandes eine Sättigung der VC-OPV vermieden werden kann.

Eine Besonderheit, welche sich daraus ergibt, liegt darin, dass sich mit einem OTA analoge integrierte Schaltungen wie analoge Filter ohne ohmsche Widerstände aufbauen lassen. Ohmsche Widerstände mit entsprechender Genauigkeit sind fertigungstechnisch nur schwer in integrierten Schaltungen zu realisieren. OTAs spielen daher als Basiselement bei frei programmierbaren analogen Schaltungen wie dem Field Programmable Analog Array (FPAA) eine Rolle.

Der erste Transkonduktanzverstärker CA3080 wurde 1969 von der Firma RCA hergestellt ^[2]. Heute sind in den Daten verbesserte Transkonduktanzverstärker von verschiedenen Herstellern wie der LM13700 von National Semiconductor oder der LT1228 von Linear Technology erhältlich. Als eigenständige Schaltung besitzt der OTA aber nicht die Bedeutung wie der Operationsverstärker mit Spannungsausgang.

Funktion

Die grundlegende Funktion ist gegeben durch:

$I_\mathrm{a} = (U_\mathrm{+} - U_\mathrm{-}) \cdot g_\mathrm{m} = U_\mathrm{D} \cdot g_\mathrm{m}$

mit dem Ausgangsstrom I_a, der Eingangsdifferenzspannung U_D und der Übertragungssteilheit bzw. Transkonduktanz g_m mit der Dimension einer Konduktanz.

Eine Ausgangsspannung U_a kann durch einen extern Lastwiderstand R_a gewonnen werden:

$U_\mathrm{a} = I_\mathrm{a} \cdot R_\mathrm{a}$

Die Spannungsverstärkung G ist damit gegeben als:

$G = \frac{U_\mathrm{a}}{U_\mathrm{D}} = R_\mathrm{a} \cdot g_\mathrm{m}$

Die Konduktanz g_m des Verstärkers kann typischerweise über drei bis vier Dekaden eingestellt werden. Dazu ist ein, in den Schaltsymbolen meist nicht dargestellter, eigener Kontrolleingang vorgesehen bei welchem mit einem Steuerstrom I_ABC der Arbeitspunkt verstellt werden kann. Der in Datenblättern und der Fachliteratur gebräuchliche Index ABC steht für Amplifier Bias Current und hat mit der Übertragungssteilheit folgenden Zusammenhang:

$g_\mathrm{m} = \frac{I_\mathrm{ABC}}{2 \cdot U_T}$

Die dabei auftretende Temperaturspannung U_T weist bei Raumtemperatur einen Wert von ungefähr 25 mV auf.

Literatur

• Lutz v. Wangenheim: Aktive Filter und Oszillatoren. 1. Auflage. Springer, 2008, ISBN 978-3-540-71737-9.

Einzelnachweise

1. ↑ Eugene M. Zumchak: A Short Discussion of the Operational Transconductance Amplifier (OTA), Uni Bonn, 1999, [1]
2. ↑ Datenblatt CA3080 (engl.)