Способы увеличения коэффициента усиления в двухкаскадных операционных усилителях



В аналоговых интегральных схемах операционные усилители считаются структурной единицей. Компараторы, инвертируюшие усилители и другие аналоговые схемы могут быть построены на базе операционных усилителей. На вышеупомянутые блоки большое влияние оказывает коэффициент усиления операционного усилителя. В работе рассматриваются методы увеличения коэффициента усиления двухкаскадного операционного усилителя.

Ключевые слова: операционный усилитель, усиления, ток, КМОП.

Операционные усилители считаются одной из основных структурных единиц аналоговых схем. Идеальным операционный уселитель имеет параметры показанные в таблице 1․

Таблица 1

Параметры операционного усилителя

Коэффициент усиления определяется отношением изменения входного напряжения к вызвавшему его изменению напряжения между дифференциальными входами усилителя при разомкнутой цепи обратной связи.

В зависимости от способа подачи входного сигнала различают дифференциальное входное сопротивление (сопротивление для входного сигнала, разность потенциалов которого приложена между дифференциальными входами) и входное сопротивление для синфазных сигналов (сопротивление для синфазных сигналов обычно очень велико).

Выходное сопротивление — это сопротивление, измеренное со стороны подключения нагрузки [1].

Некоторые схемы, построенные на базе операционного усилителя, показаны на рисунке 1.

Рис. 1․ Схемы на базе операционного усилителя

Принципиальная схема классического операционного усилителя представлена на рисунке 2.

Рис. 2․ Строение операционного усилителя

Первый каскад — это дифференциальный усилительный каскад, который является усилителем дифференциального сигнала, второй каскад — это выходной усилитель. Коэффициент усиления схемы определяется уравнением (1):

(1)

В идеале, входной дифференциальный усилительный каскад в основном отвечает за усиления, выходной усилитель во втором каскаде в основном используется для согласования сопротивлений.

Классическая схема двухкаскаднoго операционного усилителя в КМОП технологии представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Структура двухкаскаднoго операционного усилителя

В дифференциальном усилителе транзисторы Q1 и Q2 являются усилительными, а Q3 и Q4 играют роль активной токовой нагрузки. Транзистор Q5 является источником тока ․

Во втором каскаде мы имеем транзистор Q7, который включен по схеме с общим истоком

(2)

Подставляя формулу в , получаем

,

что для увеличения общего усиления необходимо увеличить усиление первого или второго каскада соответственно. Для усиления первого каскада необходимо увеличить W транзистора Q1 или уменьшить L, что может привести к значительному эффекту вторичного эффекта — модуляции. Для усиления второго каскада необходимо увеличить W транзистора M7 или уменьшить L, что может привести к значительному эффекту вторичного эффекта — модуляции. Поскольку L зависит от технологического процесса, то в основном мы можем увеличить или уменьшить коэффициент усиления с операционного усилителя c изменением W. Можно увеличить усиления с помощью Q6 транзистора, но это может приводить к уменьшению выходного рабочего диапазона․Второй способ для увеличения коэффициента усиления усилителя является повышения тока, поскольку

Транзисторы Q8 и Q5 являются токовым зеркалом и по этой причине мы можем изминит ток.

Заключение

В статье была рассмотрена основная конструкция двухкаскаднoго операционного усилителя․ В настоящее время операционный усилитель с большим коэффициентом усиленияшироко востребован как отдельно, так и в составе микросхем․ В статье рассмотрены основные методы увеличения коэффициента усиления схем, а также базовые схемы, сконструированные с помощью операционных усилителей․

Литература:

1. Behzad, Razavi Fundamentals of Microelectronics / Razavi Behzad. — 2. —:,. — 932 c. — Текст: непосредственный.
2. Операционный усилитель. — Текст: электронный // Wikipedia: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ %D0 %9E %D0 %BF %D0 %B5 %D1 %80 %D0 %B0 %D1 %86 %D0 %B8 %D0 %BE %D0 %BD %D0 %BD %D1 %8B %D0 %B9_ %D1 %83 %D1 %81 %D0 %B8 %D0 %BB %D0 %B8 %D1 %82 %D0 %B5 %D0 %BB %D1 %8C (дата обращения: 31.03.2021).
3. Внутренняя структура операционных усилителей. — Текст: электронный //: [сайт]. — URL: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/op/op_4.htm (дата обращения: 31.03.2021).