OTA

Ein OTA (Operational Transconductance Amplifier) ist ein integrierter Schaltkreis, der eine Eingangsspannung in einen Ausgangsstrom umwandelt. Die Umwandlungsverstärkung (Transkonduktanz) wird über einen Steuereinganggesteuert. Anders als ein konventioneller Operationsverstärker, der eine Spannung ausgibt, liefert der OTA den Strom direkt von einem hochohmigen Knoten. Dies macht ihn besonders wertvoll in Anwendungen, bei denen Stromregelung oder Stromaddition die natürliche Ausdrucksweise der Schaltung ist; besonders in der analogen Signalverarbeitung, im Filterbau und in der Stromversorgungsregelung.

Das Herzstück eines OTA ist eine Differenzstufe gefolgt von einer Verstärkerstufe. Die Eingangsspannungsdifferenz treibt einen Schwanzstrom durch abgestimmte Transistoren; die resultierenden Kollektor- oder Drainströme werden dann gespiegelt und zum Ausgang gepuffert. Ein Vorspannungsstrom, üblicherweise als I-bias oder I-set bezeichnet, steuert die Transkonduktanz direkt. Durch Änderung dieses Vorspannungsstroms wird die Verstärkung skaliert, ohne dass Bauteile gewechselt werden müssen. Diese Programmierbarkeit machte OTAs wesentlich für spannungsgesteuerte Filterdesigns und adaptive Analogschaltungen, bevor die digitale Signalverarbeitung dominant wurde.

Verbreitete Ausführungen und Grenzen

Frühe OTAs wie die CA3080-Familie arbeiteten mit symmetrischen Betriebsspannungen und zeigten bescheidene Linearität. Moderne Varianten arbeiten mit einfacher Stromversorgung (bis hinab zu 1,5 V in manchen Fällen) und enthalten integrierte Ausgangspuffer, um den Stromausgang in Spannung umzuwandeln. Die Transkonduktanz wird typischerweise in Mikrosiemens oder Nanosiemens angegeben und bleibt temperatur- und versorgungsspannungsabhängig, es sei denn, sie ist kompensiert. Die Ausgangsimpedanz ist endlich, üblicherweise im Megaohmbereich, und Belastungseffekte sind erheblich. Eingangsspannungsoffset, Gleichtaktunterdrückung und Ausgangsspannungsbereich bleiben hinter Präzisions-Operationsverstärkern zurück; OTAs sind daher keine direkten Austauschkomponenten.

In Energieversorgung und Netzanwendungen erscheinen OTAs in Spannungs- und Stromsensorschaltungen, in Fehlerverstärkern für Schaltregler und in Gatesteuerschleifen. Ihre Fähigkeit, mehrere Steuersignale zu addieren, macht sie wertvoll in Mehrschleifer-Regelsystemen. Das Rauschverhalten ist jedoch üblicherweise schlechter als bei spannungsgesteuerten Verstärkern, und bei Audiofrequenzen oder höher sind externe Kompensationsnetzwerke oft erforderlich. Die Nichtlinearität der Transkonduktanz mit der Eingangssignalampitude beschränkt die Großsignal-Leistung.

Der OTA bleibt eine Nischenlösung, aber relevant. Er wird heute selten für allgemeine Verstärkungsaufgaben gewählt; Operationsverstärker und Switched-Capacitor-Schaltungen haben ihn in den meisten Anwendungen verdrängt. Jedoch in gemischtsignalintegrierten Schaltkreisen werden OTAs häufig als Baublöcke in analogen Filtern, ADC-Eingangsstufen und Impedanzwandler-Schaltungen verwendet, wo ihr inhärenter Stromausgang genutzt wird, statt ihn zurück in Spannung zu konvertieren.