OTA – Transkonduktanzverstärker

In einem analogen Synthesizer dreht niemand am Lautstärkeregler, wenn ein Ton ein- und ausklingt – das erledigt eine Steuerspannung. Auch Filter, deren Grenzfrequenz einer Hüllkurve folgt, oder Kompressoren, die laute Stellen automatisch leiser machen, brauchen einen Verstärker, dessen Verstärkung sich elektrisch einstellen lässt. Der klassische Baustein dafür ist der OTA, der Operational Transconductance Amplifier. Er sieht im Schaltplan aus wie ein Operationsverstärker, liefert aber keinen Spannungs-, sondern einen Strom-Ausgang – und seine Verstärkung hängt an einem Steuerstrom.

Aufbau und Funktionsweise

Das Herz eines OTA ist ein Differenzverstärker aus zwei Bipolartransistoren, deren gemeinsamer Emitterstrom von außen vorgegeben wird. Dieser Strom heißt I_ABC (Amplifier Bias Current). Eine Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen verschiebt den Strom von einem Transistor zum anderen. Drei Stromspiegel bilden die Differenz der beiden Kollektorströme und geben sie am Ausgang aus – als Strom, der in eine Last hinein- oder aus ihr herausfließt.

Der Zusammenhang zwischen Eingangsspannung U_D und Ausgangsstrom heißt Steilheit oder Transkonduktanz g_m. Sie ist ein Leitwert und wird in Siemens angegeben:

U_T ist die Temperaturspannung, bei Raumtemperatur rund 26 mV. Entscheidend ist: g_m ist proportional zu I_ABC. Verdoppelst du den Steuerstrom, verdoppelt sich die Verstärkung. Über rund drei Dekaden, etwa von 1 µA bis 1 mA, funktioniert das sauber.

Weil der Ausgang ein Strom ist, hat der OTA einen hohen Ausgangswiderstand – das Gegenteil eines OPV. Erst ein Lastwiderstand R_L macht aus dem Strom eine Spannung. Die Spannungsverstärkung ist dann

Wie man Verstärkungsfaktoren in Dezibel umrechnet, zeigt Verstärkung und Dämpfung.

Schaltzeichen

Der OTA wird wie ein OPV als Dreieck mit einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingang gezeichnet. Dazu kommt ein dritter Eingang für den Steuerstrom, meist an der Ober- oder Unterkante, beschriftet mit I_ABC. Viele Zeichner setzen an die Spitze zusätzlich das Symbol einer Stromquelle, um den Stromausgang deutlich zu machen.

Kennlinie: nur kleine Eingangsspannungen

Der Differenzverstärker im OTA arbeitet ohne Gegenkopplung. Seine Übertragungskennlinie ist deshalb nur in der Mitte gerade. Schon ab etwa ±10 mV Eingangsspannung wird sie merklich krumm, ab rund ±100 mV liefert der Ausgang praktisch seinen Höchststrom ±I_ABC, egal, wie groß die Eingangsspannung noch wird. Der genaue Verlauf folgt dem Tangens hyperbolicus.

In der Praxis teilst du das Eingangssignal deshalb mit einem Spannungsteiler auf wenige zehn Millivolt herunter. Der LM13700 enthält zusätzlich Linearisierungsdioden an den Eingängen. Sie werden mit einem eigenen Strom vorgespannt und gleichen die Krümmung der Transistorkennlinie aus. Damit verträgt der Baustein bei gleicher Verzerrung deutlich größere Eingangssignale.

Kennwerte des LM13700

Der Klassiker CA3080 ist abgekündigt. Der heute übliche Typ ist der LM13700 mit zwei OTAs, Linearisierungsdioden und je einem Darlington-Puffer im DIP-16- oder SOIC-16-Gehäuse. Es gibt ihn von mehreren Herstellern, teils unter Bezeichnungen wie NJM13700. Die Werte gelten bei ±15 V:

Der Eingang für I_ABC liegt intern etwa 1,4 V über der negativen Versorgung. Den Steuerstrom stellst du deshalb meist mit einem Widerstand von einer Steuerspannung aus ein. Wie eine Stromquelle grundsätzlich arbeitet, erklärt Konstantstromquelle.

Anwendung: spannungsgesteuerter Verstärker (VCA)

Die Grundschaltung des VCA besteht aus einem Eingangsteiler, dem OTA, einem Lastwiderstand und einem Widerstand für den Steuerstrom. Der Puffer des LM13700 entkoppelt den hochohmigen Ausgang von der nächsten Stufe.

Der Ausgangsstrom darf dabei nie größer sein als I_ABC. Hier sind es bei voller Aussteuerung etwa 1,05 V / 10 kΩ ≈ 105 µA Spitze – gut unter den 511 µA.

Weitere Anwendungen

• Steuerbares Filter: Treibt der Stromausgang einen Kondensator statt eines Widerstands, entsteht ein Integrator. Als Spannungsfolger beschaltet, wird daraus ein Tiefpass mit f_g = g_m / (2π · C), solange das Signal klein bleibt. Mit g_m = 96 µS (also I_ABC = 5 µA) und C = 10 nF liegt f_g bei etwa 1,5 kHz; bei hundertfachem Steuerstrom bei 150 kHz. Der Grundgedanke ist derselbe wie beim RC-Glied, nur dass g_m den Widerstand ersetzt.
• Steuerbarer Widerstand: Ein OTA mit Rückführung vom Ausgang auf den Eingang verhält sich wie ein Widerstand vom Wert 1/g_m – ein elektronisches Potentiometer ohne Schleifer.
• Regelverstärker (AGC) und Kompressor: Ein Gleichrichter misst den Ausgangspegel und senkt bei lauten Signalen den Steuerstrom.
• Modulator: Ein Signal am Steuereingang moduliert die Amplitude eines anderen Signals.
• In ICs: Viele CMOS-Operationsverstärker und Filter in Chips sind intern als OTA aufgebaut. Als einzelnes Bauteil ist der OTA heute vor allem in Audio- und Synthesizerschaltungen zu Hause.

Auswahl und Praxistipps

Für neue Schaltungen mit digitaler Steuerung sind ein Digitalpotentiometer oder ein Mikrocontroller mit DSP oft einfacher. Der OTA spielt seine Stärken aus, wenn die Steuerung analog und schnell sein soll, etwa in Synthesizern oder Analogrechnern.

Häufige Fehler:

• Eingangssignal zu groß: Mehr als einige zehn Millivolt ohne Linearisierungsdioden verzerren hörbar. Teile das Signal herunter.
• Steuereingang an eine Spannung gelegt: I_ABC ist ein Strom. Ohne Vorwiderstand fließt zu viel; über 2 mA wird der Baustein beschädigt.
• Temperatur vergessen: g_m hängt über U_T von der Temperatur ab und sinkt um etwa 0,3 % pro Kelvin. Für genaue Verstärkungen braucht es eine Regelschleife oder Kompensation. Mehr dazu unter Temperaturverhalten von Halbleitern.
• Steuerdurchgriff: Ändert sich I_ABC schnell, erscheint ein Teil davon als Knacken im Ausgang. Abgleich des Offsets und ein symmetrischer Eingang mindern das.
• Puffer falsch belastet: Der Darlington-Puffer braucht einen Emitterwiderstand nach V−, sonst arbeitet er nicht. Sein Ausgang liegt rund 1,4 V unter dem Eingang.

Selbsttest