Qu'est-ce qu'un amplificateur à transconductance opérationnel (OTA) ?
2026-05-22 373

Cet article explique le fonctionnement des amplificateurs opérationnels à transconductance (OTA) et pourquoi ils sont importants dans les circuits électroniques analogiques.Il explique comment les OTA convertissent les différences de tension d'entrée en courant de sortie, en quoi ils diffèrent des amplificateurs opérationnels traditionnels et comment leur transconductance et leur courant de polarisation affectent le comportement du circuit.L'article couvre également les configurations de circuits OTA courantes, les applications pratiques dans les systèmes audio et analogiques, les circuits intégrés OTA populaires tels que le LM13700 et le CA3080, les problèmes de conception courants, les méthodes de dépannage, les alternatives modernes et des conseils pratiques pour choisir le bon circuit intégré OTA pour différents projets.

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Figure 1. Schéma fonctionnel de base de l'OTA

Comment un OTA convertit la tension en courant

Un Amplificateur de transconductance opérationnel (OTA) convertit une petite différence de tension à ses entrées en un courant de sortie.Il possède deux broches d'entrée : la entrée positive (+) et le entrée négative (−).L'OTA vérifie la différence entre ces deux tensions d'entrée.

Lorsque l'entrée positive est supérieure à l'entrée négative, l'OTA produit un courant de sortie dans un sens.Lorsque l'entrée négative est plus élevée, le courant de sortie change de direction.Cela signifie que la différence de tension d'entrée contrôle la direction et la quantité du courant de sortie.

La relation OTA de base est :

Je_dehors = g_m(V₊ − V₋)

Ici, Je_dehors est le courant de sortie. V+ − V− est la différence de tension entre les deux entrées. gm est la transconductance, qui indique la force avec laquelle l'OTA convertit la tension d'entrée en courant de sortie.Un gm plus élevé produit plus de courant de sortie à partir de la même différence de tension d'entrée.

Un OTA donne une sortie de courant puisque sa sortie a une haute impédance.Cela fait que la sortie agit principalement comme une source de courant contrôlée.La tension de sortie finale dépend de la charge ou du circuit connecté à la sortie OTA.

Figure 2. Schéma du circuit interne CMOS OTA

De nombreuses OTA permettent également contrôle du courant de polarisation.Lorsque le courant de polarisation augmente, gm augmente également, de sorte que l'OTA produit un courant de sortie plus fort.Lorsque le courant de polarisation diminue, gm diminue, donc le courant de sortie devient plus faible.C'est pourquoi les OTA sont utiles dans les circuits où le gain ou le contrôle du signal doit être ajusté électroniquement.

OTA vs Op-Amp : principales différences

Figure 3. Symbole OTA vs ampli-op

Caractéristique	OTA (Amplificateur de transconductance opérationnel)	Ampli-op
Fonction principale	Convertit l'entrée différence de tension dans le courant de sortie	Convertit l'entrée différence de tension dans la tension de sortie
Type de sortie	Sortie courant	Sortie de tension
Comportement de sortie	Agit principalement comme un source de courant contrôlée	Agit principalement comme un source de tension contrôlée
Impédance de sortie	Impédance de sortie élevée	Faible impédance de sortie
Prendre le contrôle	Le gain peut être ajusté électroniquement en utilisant le courant de polarisation	Le gain est principalement contrôlé par des résistances externes
Structure d'entrée	Entrée différentielle	Entrée différentielle
Contrôle des signaux	Contrôles de tension courant de sortie	Contrôles de tension tension de sortie
Comportement des commentaires	Souvent utilisé avec comportement de rétroaction basé sur le courant	Utilise couramment la tension commentaires négatifs
Gain de tension Stabilité	Cela dépend transconductance et circuit externe	Généralement plus stable et prévisible
Courant de polarisation Importance	Courant de polarisation directement affecte le fonctionnement et le gain de l'OTA	Courant de polarisation habituellement ne contrôle pas le gain de l'amplificateur
Réglage électronique Capacité	Excellent pour réglage électronique et contrôle analogique réglable	Electronique limitée réglage du gain
Charge de sortie Dépendance	Tension de sortie dépend fortement de la charge connectée	Peut conduire directement les charges de tension se chargent plus facilement
Contrôle analogique Capacité	Très approprié pour circuits analogiques commandés en tension	Mieux pour la norme amplification et conditionnement du signal
Flexibilité des circuits	Convient pour variable comportement analogique	Utile pour les réparations fixes et amplification stable
Objectif de conception typique	Analogue du domaine actuel conception	Analogique dans le domaine de la tension conception
Meilleur utilisé quand	Vous avez besoin d'un réglage comportement contrôlé en gain ou en tension	Vous avez besoin de stabilité amplification de tension
Style d'utilisation courante	Analogique dynamique circuits de commande	Usage général circuits amplificateurs
Complexité du résultat Scène	Nécessite un externe conversion de charge pour sortie de tension	Sortie de tension continue est plus facile à utiliser
Analogique haute fréquence Contrôle	Souvent préféré dans systèmes analogiques accordables	Utilisé en général systèmes analogiques

Configurations de base des circuits OTA

Les OTA peuvent être connectés de différentes manières en fonction de la manière dont les signaux entrent et sortent du circuit.Les trois configurations OTA courantes sont la sortie unique à entrée unique (SISO), la sortie unique à entrée différentielle (DISO) et la sortie différentielle à entrée différentielle (DIDO).Ces configurations affectent le flux du signal, les performances en matière de bruit et la manière dont l'OTA se connecte à l'étage analogique suivant.

OTA à entrée unique et sortie unique (SISO)

Un SISO OTA utilise un signal d’entrée actif et un courant de sortie.L'autre entrée est généralement connectée à la terre ou à une tension de référence.Dans cette configuration, l'OTA compare le signal d'entrée avec la référence et produit un courant de sortie basé sur cette différence.Il s'agit de la configuration OTA la plus simple.Il est facile à connecter, utilise moins de lignes de signal et convient au contrôle de base des signaux analogiques.

Figure 4. Configuration SISO OTA

Entrée différentielle sortie unique (DISO) OTA

Un DISO OTA utilise à la fois les entrées positives (+) et négatives (-), mais il ne fournit qu'un seul courant de sortie.L'OTA compare les deux tensions d'entrée et répond à la différence entre elles.Cette configuration améliore la précision du signal car elle peut réduire le bruit indésirable qui apparaît sur les deux entrées.

Figure 5. Configuration DISO-OTA

Entrée différentielle Sortie différentielle (DIDO) OTA

Un DIDO OTA utilise des entrées différentielles et fournit également des sorties différentielles.Cela signifie que l'OTA compare deux tensions d'entrée et produit deux courants de sortie qui se déplacent dans des directions opposées.Il s’agit d’une structure OTA entièrement différentielle.Il offre une meilleure réjection du bruit, un flux de signal équilibré et une plus grande intégrité du signal dans les circuits analogiques plus avancés.

Figure 6. Configuration DIDOOTA

Caractéristiques d'entrée et de sortie

L'étage d'entrée OTA compare les signaux de tension, tandis que le côté sortie se comporte comme une source de courant à haute impédance.Un SISO OTA est plus simple et plus facile à utiliser, un DISO OTA améliore la précision du signal d'entrée et un DIDO OTA offre le comportement de signal le mieux équilibré lorsqu'un circuit a besoin d'une sortie différentielle.

Applications OTA dans les circuits électroniques

Filtres actifs / filtres commandés en tension: Contrôle électronique de la fréquence dans les filtres analogiques.

Amplificateurs commandés en tension (VCA): Gain de signal réglable dans les systèmes audio et analogiques.

Oscillateurs: Génération de forme d’onde et de signal d’horloge.

Mélangeurs: Combinaison de signaux et conversion de fréquence dans les circuits RF et de communication.

Circuits de contrôle automatique de gain (AGC): Ajustement automatique du niveau du signal.

Circuits de modulation de signal: Contrôle d'amplitude et de signaux analogiques dans les systèmes de communication.

Égaliseurs audio: Mise en forme de fréquence et réglage de tonalité en électronique audio.

Synthétiseurs analogiques: Génération de sons et contrôle de filtres en électronique musicale.

ADC et DAC: Étages de conditionnement et de conversion du signal analogique.

Amplificateurs à rétroaction de courant: Traitement du signal analogique à grande vitesse.

Circuits de commande de LED: Régulation de courant pour le contrôle de la luminosité des LED.

Interfaces de capteurs capacitifs: Amplification et traitement du signal du capteur.

Intégrateurs à impulsion rapide: Circuits d'intégration analogiques à grande vitesse.

Multiplicateurs analogiques: Multiplication et modulation du signal.

CI OTA populaires et leurs caractéristiques

Caractéristique	LM13700	LM13600	CA3080	Moderne Alternatives aux OTA
Type d'OTA	Double OTA avec tampons	Ancienne conception double OTA	Conception OTA unique	Nouveaux circuits intégrés basés sur OTA
Utilisation principale	Filtres audio, VCA, oscillateurs, synthés	Filtres plus anciens et circuits de contrôle de gain	Synthés vintage et circuits de modulation	Audio à faible bruit, capteurs, analogiques de précision
Gamme d'approvisionnement	Large gamme d'approvisionnement pour de nombreux circuits analogiques	Large gamme d'approvisionnement mais conception plus ancienne	Gamme d’approvisionnement modérée	Supporte souvent le moderne rails basse tension
Bruit	Assez bien pour la plupart utilisations audio et analogiques	Bruit modéré performances	Un bruit plus élevé que OTA plus récentes	Généralement moins de bruit et une meilleure précision
Qualité audio	Bon pour les VCA, filtres et circuits de synthèse	Utilisable, mais moins préféré aujourd'hui	Plus vintage que un son clair	Mieux pour plus propre, audio à faible distorsion
Forfait	DIP et SOIC	DIP principalement plus ancien versions	DIP principalement plus ancien versions	Généralement SOIC, QFN ou autres packages CMS
Avantages	Facile à trouver, flexible, bien documenté	Utile pour les anciens OTA circuits	Simple et bon pour dessins classiques	Meilleure linéarité, puissance inférieure, taille plus petite
Limites	Conception plus ancienne, pas la option la moins bruyante	Moins courant que LM13700	Offre limitée, bruit plus élevé	Il faudra peut-être faire attention mise en page et refonte
Idéal pour	Projets OTA généraux	Maintenir les personnes âgées circuits	Style vintage projets	Précision moderne dessins

Problèmes de conception OTA et dépannage

Distorsion – Cela se produit lorsque le signal d’entrée est trop important ou que l’OTA fonctionne en dehors de sa plage linéaire.Le résultat peut sembler inexact ou sembler inexact.Pour améliorer la précision du signal, vous devez réduire le niveau du signal d'entrée et ajuster correctement le courant de polarisation.

Bruit – Le bruit provient d'une mauvaise mise à la terre, de rails d'alimentation bruyants, de longues traces ou d'un gain élevé.Cela peut rendre la sortie instable ou peu claire.Pour réduire les bruits indésirables, vous devez utiliser des alimentations propres, des chemins de signal courts, une mise à la terre appropriée et des condensateurs de découplage.

Détourage – L'écrêtage se produit lorsque la sortie atteint sa limite et ne peut plus suivre correctement le signal.Cela est dû à un niveau d'entrée élevé, à une faible tension d'alimentation ou à des conditions de charge inappropriées.Pour éviter l'écrêtage, vous devez baisser le niveau du signal et vérifier la tension d'alimentation et les exigences de charge.

Instabilité du courant de polarisation – Étant donné que le courant de polarisation contrôle le gain OTA, un courant de polarisation instable peut entraîner une modification du gain ou un comportement de sortie incohérent.Pour maintenir la réponse OTA stable, vous devez utiliser une source de courant stable et ajouter un filtrage au circuit de contrôle de polarisation.

Oscillations – Une oscillation peut se produire en raison d'un retour indésirable, d'une mauvaise disposition du PCB ou de longues traces à haute impédance.Cela peut amener le circuit à générer des signaux indésirables.Pour améliorer la stabilité, vous devez raccourcir les traces de signal, séparer les chemins d'entrée et de sortie et placer les condensateurs de dérivation à proximité de l'OTA.

Dérive de température – Le comportement de l’OTA peut changer lorsque la température change.Cela peut affecter le gain, le courant de polarisation et la stabilité de la sortie au fil du temps.Pour réduire les problèmes liés à la température, vous devez utiliser des composants de polarisation stables et éviter de placer l'OTA à proximité de composants chauds.

Mauvaise disposition du PCB – Une mauvaise disposition du PCB peut introduire du bruit, de la diaphonie et un fonctionnement instable.Les circuits OTA sont sensibles car ils fonctionnent souvent avec de petits signaux analogiques et des nœuds à haute impédance.Pour améliorer les performances du circuit, vous devez garder les traces analogiques courtes, utiliser un plan de masse solide et des chemins de signaux analogiques et numériques séparés.

Limites de linéarité du signal – Les OTA ne sont pas parfaitement linéaires à tous les niveaux de signal.De grandes différences de tension d'entrée peuvent réduire la précision de sortie et augmenter la distorsion.Pour maintenir une meilleure linéarité, vous devez maintenir le signal d'entrée dans la plage de fonctionnement recommandée et ajuster correctement le courant de polarisation.

OTA vs alternatives analogiques modernes

OTA contre VCA

Un VCA est principalement conçu pour un contrôle fluide du gain de tension, tandis qu'un OTA est souvent utilisé comme élément de contrôle à l'intérieur de ce type de circuit.La principale différence est qu'un VCA est plus facile à utiliser lorsque l'objectif est un contrôle direct du gain, tandis qu'un OTA offre plus de flexibilité de conception lorsque vous avez besoin d'un contrôle basé sur le courant et d'un comportement analogique personnalisé.

OTA ou DSP

Le DSP utilise un traitement numérique, des logiciels et des algorithmes pour contrôler les signaux.Il offre plus de flexibilité pour le filtrage, les effets et le traitement complexe du signal, mais il nécessite généralement des CAN, des DAC et davantage de conception de système.Un OTA est préférable lorsque le circuit nécessite un contrôle analogique en temps réel, une faible latence et un réglage électronique plus simple.

CI analogiques OTA vs CMOS

Les circuits intégrés analogiques CMOS modernes combinent plusieurs fonctions analogiques dans de petites puces à faible consommation.Ils conviennent parfaitement lorsque vous avez besoin d’une taille compacte, d’une consommation réduite et d’une intégration plus facile.Un OTA est toujours utile lorsque la conception nécessite un réglage analogique direct ou un circuit personnalisé contrôlé en courant.

OTA vs amplificateurs d'instrumentation

Les amplificateurs d'instrumentation sont conçus pour une mesure précise de la tension, une impédance d'entrée élevée et un fort rejet du bruit.Ils conviennent mieux aux capteurs et aux circuits de mesure précis.Un OTA est plus adapté lorsque le circuit nécessite un gain réglable, un filtrage ou un comportement analogique contrôlé en tension.

Comment choisir le bon circuit intégré OTA

Choisissez un Circuit intégré OTA en fonction de ce que votre besoins du circuit.Pour circuits audio, synthétiseurs, et VCA, choisissez-en un avec faible bruit et bonne qualité du signal afin que le son ne devienne pas bruyant ou déformé.Pour filtres actifs et oscillateurs, vérifiez le bande passante car cela affecte la précision et la stabilité de la fréquence.

Aussi vérifier la tension d'alimentation.Certains circuits intégrés OTA plus anciens ont besoin alimentations plus larges ou doubles, tandis que les circuits intégrés OTA modernes peuvent mieux fonctionner dans les circuits basse tension ou alimentés par batterie.Si votre circuit gère signaux plus grands, choisissez une OTA avec meilleure linéarité pour réduire la distorsion.

Courant de polarisation le contrôle est également nécessaire car il affecte gagner, réglage du filtre, et fonctionnement commandé en tension.Une plage de contrôle plus large vous offre plus de flexibilité.Pour prototypage ou apprentissage, TREMPAGE les packages sont plus faciles à utiliser.Pour conceptions de circuits imprimés compactes, SOIC ou CMS les forfaits sont meilleurs.

Enfin, vérifiez disponibilité avant d'acheter.Les OTA plus anciennes peuvent être plus difficiles à trouver ou présenter des risques de contrefaçon.Pour la plupart des projets généraux, LM13700 est un choix sûr.Pour les circuits vintage, CA3080 ou LM13600 peut mieux convenir.Pour des conceptions à faible bruit, à faible consommation ou modernes, choisissez un circuit intégré OTA plus récent.