Dlaczego wzmacniacz operacyjny miałby używać BJT w porównaniu do MOSFET?

Zawsze mi mówiono, że idealnie wzmacniacze operacyjne mają nieskończoną impedancję wejściową. Więc kiedy patrzyłem na schemat poziomu tranzystora LM741, byłem zdezorientowany, gdy użyli BJT zamiast MOSFET.

Czy użycie BJT nie spowodowałoby przepływu prądu do pinów wejściowych?

741 jest starym śmieciem, używanym głównie do taniej nauki podstawowej elektroniki. Wydaje mi się, że pamiętam gdzieś, że gdyby zebrano wszystkie 741 kiedykolwiek wyprodukowanych, wystarczyłoby, aby dać każdej osobie na ziemi 6 lub 8 z nich.

Nowoczesne wzmacniacze operacyjne dzielą się na kilka kategorii.

1. Ogólnego zastosowania - te wzmacniacze operacyjne nie są bardzo szybkie, mają złe, nieidealne właściwości (prądy polaryzacji w nanoampach), dryfują, mają impedancje wejściowe w megaomach i prawie nic nie kosztują. 741 należy do tej kategorii.

2. Wejścia FET - są nieco szybsze, mają znacznie lepsze nieidealne charakterystyki (prądy polaryzacji w pikoampach), bardzo dryfują, mają wyjątkowo wysokie impedancje wejściowe (gigaomów), ale mogą kosztować kilka dolarów.

3. CMOS - Wzmacniacze operacyjne CMOS są powolne, ale mają doskonałe, nieidealne charakterystyki (prądy polaryzacji w wzmacniaczach FEMTO), niezwykle wysoką impedancję wejściową (TERAohms), dryfują mniej więcej niż wzmacniacze operacyjne ogólnego przeznaczenia i mogą kosztować kilka dolarów. Jest to typ wzmacniacza operacyjnego, który może uzyskać moc w miliwoltach szyn, ale napięcie szyny jest ograniczone.

4. Chopper Stabilized - To kolejna forma wzmacniacza operacyjnego CMOS. Dryfuje bardzo mało i ma bardzo niskie przesunięcia. Więcej informacji znajdziesz w tym artykule

Istnieją inne wzmacniacze operacyjne, które mogą obsługiwać częstotliwości radiowe lub wysokie prądy wyjściowe, ale tak naprawdę nie mieszczą się w tych kategoriach.

Jak widać, każdy typ wzmacniacza operacyjnego ma inną nie idealną charakterystykę DC i impedancję wejściową. Ile prądu wpływa do wejść wzmacniacza operacyjnego, zależy od impedancji wejściowej. W przypadku większości współczesnych wzmacniaczy operacyjnych są to bardzo małe prądy i można je uznać za nieistotne w większości zastosowań. Który typ wzmacniacza operacyjnego jest używany, jest brany pod uwagę przy projektowaniu, biorąc pod uwagę szybkość, koszt, zakres temperatur i wszelkie wątpliwości dotyczące precyzji.

Opampy bipolarne, takie jak 741 lub LM324, mają inne kompromisy niż opampy FET. Po pierwsze, zostały one zaprojektowane wiele lat temu, kiedy technologia FET IC była mniej zaawansowana w porównaniu z bipolarną technologią IC. Niesprawiedliwe jest nazywanie śmieci 741; to było coś cudownego w swoim czasie. Jego bliska pochodna, LM324, jest nadal w produkcji seryjnej, więc oczywiście wiele osób uważa, że ​​jest to właściwy kompromis dla ich wymagań.

Istotną zaletą LM324 jest jego cena. Często wystarczy opamp bez bardzo rygorystycznych wymagań. Jeśli iloczyn wzmocnienia 1 MHz × przepustowość, prąd polaryzacji i kilka mV przesunięcia są wystarczająco dobre, wszystko inne jest po prostu drogim śmieciem.

Ogólnie rzecz biorąc, nieco łatwiej jest obniżyć napięcie przesunięcia do kilku mV za pomocą dwubiegunowych dla tego samego obszaru układu. Istnieją również zalety w zakresie zdolności przemiennika prądu i zakresu napięcia zasilania. FET mają oczywiście bardzo wysoką impedancję wejściową. Obecnie różnice te są bardziej rozmyte. Możesz uzyskać opampy wejściowe FET z napięciem przesuniętym znacznie poniżej mV, ale następnie porównać ich cenę z LM324.

Wczesne opampy FET, takie jak TL07x i TL08x, miały inne problemy, takie jak bardzo wysoki poziom wejściowy w obu trybach we wspólnym przedziale. W dzisiejszych czasach opampy FET są łatwiejsze do tworzenia szyn na szynę zarówno dla wejścia, jak i wyjścia, ale ponownie porównują cenę nawet najtańszego MCPxxxx ze starym rezerwowym LM324. Zwróć również uwagę na zakres napięcia zasilania, nad którym LM324 może działać. To trudna sztuczka dla większości dzisiejszych wzmacniaczy FET.

Wszystko jest kompromisem.

Tranzystory MOSFET są zbyt głośne dla wielu zastosowań precyzyjnych wzmacniaczy. Jeśli masz źródło o niskiej impedancji, aby uzyskać najniższy poziom szumów spośród wszystkich dostępnych wzmacniaczy monolitycznych, musisz udać się do wzmacniacza bipolarnego, takiego jak LT1028, który ma gęstość widmową szumu białego 1,1nV / sqrt (Hz). (Jeśli to nie wystarczy, dyskretna konstrukcja może zrobić lepiej).

Porównaj to z typowym wzmacniaczem wejściowym MOSFET, takim jak MCP601, który zwykle wynosi 29nV / sqrt (Hz) lub około 700 razy gorzej pod względem mocy.

Jeśli wykonujesz audiofilskie przetwarzanie dźwięku, najlepszym wzmacniaczem na świecie jest bipolarna część Texas Instruments (z domu Burr-Brown). Ma dużo prądu polaryzacji wejściowej, ale bardzo mało zniekształceń.

Wzmacniacze MOSFET również rzadko są w stanie pracować z wyższymi napięciami zasilania, takimi jak +/- 15 V (kolejne częste wymagania precyzyjnego oprzyrządowania), a jeśli tak, to zazwyczaj kosztują ramię i nogę, myślę, że dzieje się tak głównie dlatego, że mają do wykonania na specjalnej linii technologicznej CMOS wysokiego napięcia i nie należy go mieszać z materiałami cyfrowymi.

741 został zaprojektowany w połowie lat sześćdziesiątych, a więc prawie 50 lat temu. To była nieco poprawa w stosunku do wcześniejszych wzmacniaczy operacyjnych (takich jak uA709), ale jest dość długa w zębie. Podwójne wersje, takie jak czcigodny JRC 4558, są używane w aplikacjach audio od dziesięcioleci. Jak podkreśla Olin, LM324 jest podobny (stopień wyjściowy ma znaczne różnice, po części, aby uczynić go „pojedynczym zasilaniem”), ale kosztuje tylko jeden grosz lub dwa na wzmacniacz w ilości.

Poza LM324, nie sądzę, aby jakikolwiek inny wzmacniacz operacyjny osiągnął tak szerokie zastosowanie jak 741 (być może niektóre ze wzmacniaczy JFET się zbliżają) - rynek jest bardziej bałkański, z wieloma różnymi możliwościami wyboru dla projektanta, każdy z swoje zalety i wady. Vive la différence!

Warto zauważyć, że zasadniczo nadprzewodnictwo BJT jest znacznie wyższe niż w przypadku MOSFET. tzn. prąd zmienia się wykładniczo przyłożonego napięcia w przypadku BJT, natomiast zmienia się tylko z kwadratem napięcia dla MOSFET.

Idealnie wszystkie systemy byłyby mieszanką BJT i ​​MOS, ale nie tak działa świat. Tak więc w przypadku systemów dyskretnych BJT jest królem. W przypadku zintegrowanych systemów na chipie MOS jest królem.

Odpowiedź na to pytanie była kilkakrotnie, ale wydaje mi się, że należy wspomnieć o stopniach wejściowych JFET. Niektóre wzmacniacze operacyjne (na przykład TL074 lub LF357) wykorzystują mieszaninę JFET i BJT, aby uzyskać lepsze właściwości pod pewnymi względami niż konstrukcja tylko dwubiegunowa. (JFET są lepsze niż MOSFET-y ze względu na ich większą odporność, jeśli chodzi o krótkotrwałe przeciążenia i wyładowania statyczne.)

Te wzmacniacze operacyjne zwykle wykorzystują JFET dla wejściowego stopnia różnicowego wzmacniacza, przy czym większość reszty obwodu jest bipolarna z powodów, które podali inni w swoich odpowiedziach. Zaletą stosowania tranzystorów polowych na etapie wejściowym jest dokładnie to, co mówisz: mają one znacznie wyższą impedancję wejściową. Jeśli spojrzysz na specyfikację różnych wzmacniaczy operacyjnych z wejściem JFET, zobaczysz te z wejściowymi prądami polaryzacji mniejszymi niż dziesięć pikoamperów - a jeśli spojrzysz na przykład na AD549L, ma on polaryzację wejściową nie większą niż 60 femtoamperes. Dla porównania, standardowe bipolarne wzmacniacze operacyjne mają zazwyczaj wejściowe prądy polaryzacji rzędu kilku nanoamperów (jak w OP07E), do mikroamperów lub dwóch w niektórych przypadkach (jak w słynnym LM741). Podobnie, z tych samych powodów, impedancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego na wejściu JFET będzie o pięć lub sześć rzędów wielkości większa niż impedancji bipolarnego wzmacniacza operacyjnego.

Jest jednak kompromis. Wzmacniacze operacyjne JFET mają zwykle znacznie większy szum napięcia wejściowego. Wspomniany powyżej dwubiegunowy OP07E ma hałas o niskiej częstotliwości poniżej 0,6 mikrowolta od szczytu do szczytu i gęstość szumu o wysokiej częstotliwości rzędu dziesięciu nanowoltów na herc korzenia, podczas gdy AD549 ze swoim prawie niemożliwie niskim odchyleniem wejściowym ma niskie hałas o częstotliwości do 6 mikrowoltów gęstość międzyszczytowa i wysoka częstotliwość wynosząca aż 90 nanowoltów na herc korzenia (choć spada on do około 35 nV / √Hz powyżej 1 kHz).

Jak w przypadku wszystkiego w życiu, nie ma panaceum, które rozwiązałoby wszystkie twoje problemy, nie ma wzmacniacza operacyjnego, który możesz być pewien, że zaspokoi twoje potrzeby bez względu na to, jakie są. Jeśli potrzebujesz bardzo niskiego prądu polaryzacji lub bardzo wysokiej impedancji wejściowej, wybierz wzmacniacz operacyjny z wejściem JFET. Jeśli potrzebujesz niskiego poziomu hałasu lub niskich kosztów, wybierz dwubiegunowy wzmacniacz operacyjny. Jeśli potrzebujesz czegoś, czego żaden z nich nie jest w stanie dostarczyć, to spójrz na coś bardziej egzotycznego. Możliwe, że znajdziesz to gdzieś tam.