Зачем операционному усилителю использовать BJT над MOSFET?

Мне всегда говорили, что в идеале операционные усилители имеют бесконечный входной импеданс. Поэтому, когда я смотрел на схему уровня транзисторов LM741, я был озадачен, когда они использовали BJT вместо MOSFET.

Не приведет ли использование BJT к току, поступающему на входные контакты?

741 - это старый хлам, в основном используемый для дешевой базовой электроники. Кажется, я помню, как где-то читал, что, если собирать каждые 741 когда-либо произведенных, их будет достаточно, чтобы дать каждому человеку на земле 6 или 8 из них.

Современные операционные усилители делятся на несколько категорий.

1. Общее назначение - эти операционные усилители не очень быстрые, имеют плохие неидеальные характеристики (токи смещения в наноамперах), дрейфуют, имеют входные импедансы в мегомах и почти ничего не стоят. 741 попадает в эту категорию.

2. Входы FET - они немного быстрее, имеют значительно лучшие неидеальные характеристики (токи смещения в пикоамперах), очень мало смещаются, имеют чрезвычайно высокие входные сопротивления (гигаоммы), но могут стоить несколько долларов.

3. CMOS - операционные усилители CMOS работают медленно, но имеют превосходные неидеальные характеристики (токи смещения в FEMTOamps), чрезвычайно высокий входной импеданс (TERAohms), дрейфуют примерно столько же, сколько операционные усилители общего назначения, и могут стоить несколько долларов. Это тип операционного усилителя, который может получить свою мощность в милливольтах от рельсов, но напряжение на рельсах ограничено.

4. Стабилизированный чоппер - это еще одна форма операционного усилителя CMOS. Он дрейфует очень мало и имеет очень низкие смещения. Посмотрите на эту статью для получения дополнительной информации

Существуют и другие операционные усилители, которые могут работать с РЧ-частотами или с высокими выходными токами, но на самом деле они не попадают в эти категории.

Как вы можете видеть, каждый тип операционного усилителя имеет разные неидеальные характеристики постоянного тока и входное сопротивление. Сколько тока течет на входы операционного усилителя, зависит от входного сопротивления. Для большинства современных операционных усилителей это очень малые токи, и для большинства приложений их можно считать незначительными. Какой тип операционного усилителя вы используете, зависит от дизайна, учитывая скорость, стоимость, температурный диапазон и любые проблемы с точностью.

Биполярные операционные усилители, такие как 741 или LM324, имеют другой компромисс, чем операционные усилители FET. С одной стороны, они были разработаны много лет назад, когда технология FET IC была менее продвинутой по сравнению с биполярной технологией IC. Несправедливо называть 741 мусором; это было что-то замечательное в свое время. Его близкая производная, LM324, все еще находится в массовом производстве, поэтому, очевидно, многие люди считают, что это правильный компромисс для их требований.

Одним значительным преимуществом LM324 является его цена. Довольно часто вам просто нужен операционный усилитель без очень строгих требований. Если произведение усиления на 1 МГц на полосу пропускания, ток смещения и смещение в несколько мВ достаточно хороши, то все остальное - просто дорогой мусор.

В общем, немного проще снизить напряжение смещения до нескольких мВ с помощью биполярных сигналов для одной и той же области микросхемы. Есть также преимущества в текущей мощности привода и диапазоне напряжения питания. Полевые транзисторы, конечно, имеют действительно высокое входное сопротивление. В настоящее время эти различия более размыты. Вы можете получить входные операционные усилители FET со смещенными напряжениями значительно ниже мВ, но затем сравнить их цену с LM324.

У ранних операционных усилителей FET, таких как TL07x и TL08x, были другие проблемы, например, очень высокий запас синфазного диапазона на обоих концах. В настоящее время операционные усилители FET упрощают создание железнодорожных линий для ввода и вывода, но опять же сравнивают цену даже самого дешевого MCPxxxx со старым резервным LM324. Также обратите внимание на диапазон напряжения питания, на котором может работать LM324. Это сложная уловка для большинства современных операционных усилителей FET.

Все это компромисс.

МОП-транзисторы слишком шумные для многих применений прецизионных усилителей. Если у вас есть источник с низким импедансом, для наименьшего шума из всех доступных монолитных усилителей вам необходимо перейти на биполярный усилитель, такой как LT1028, который имеет спектральную плотность белого шума 1,1 нВ / кв. (Если это недостаточно хорошо, дискретный дизайн может быть лучше).

Сравните это с типичным MOSFET-входным усилителем, таким как MCP601, который обычно составляет 29 нВ / кв. Гц или примерно в 700 раз хуже с точки зрения мощности.

Если вы занимаетесь обработкой аудиофильского аудио, лучшим усилителем в мире является биполярная часть Texas Instruments (урожденная Burr-Brown). Он имеет большой входной ток смещения, но очень мало искажений.

Усилители MOSFET также редко способны работать с более высокими напряжениями питания, такими как +/- 15 В (еще одно частое требование к точным измерительным приборам), и если они есть, они, как правило, стоят руку и ногу, я думаю, это в основном потому, что они имеют быть изготовлены на специальной высоковольтной технологической линии CMOS и не смешиваться с цифровыми материалами.

741 был разработан в середине 1960-х годов, то есть почти 50 лет назад. Это было некоторое улучшение по сравнению с более ранними операционными усилителями (такими как uA709), но он довольно длинный в зубе. Двойные версии, такие как почтенный JRC 4558, использовались в аудио приложениях на протяжении десятилетий. Как указывает Олин, LM324 аналогичен (выходной каскад имеет существенные различия, отчасти для того, чтобы сделать его «единым источником питания»), но стоит всего лишь копейки или два на усилитель в количестве.

Кроме LM324, я не думаю, что какой-либо другой операционный усилитель достиг такого же широкого применения, как 741 (возможно, некоторые из усилителей JFET подходят близко) - рынок более балканизирован, с множеством различных вариантов для дизайнера, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Vive la différence!

Стоит отметить, что, по сути, коэффициент трансдуктивности BJT намного выше, чем для MOSFET. т.е. ток изменяется в зависимости от экспоненты приложенного напряжения в случае BJT, тогда как он изменяется только в зависимости от квадрата напряжения для полевого МОП-транзистора.

В идеале все системы должны быть смесью BJT и MOS, но мир не таков. Таким образом, для дискретных систем BJT является королем. Для интегрированных систем на чипе MOS является королем.

На этот вопрос отвечали несколько раз, но я чувствую, что следует упомянуть этапы ввода JFET. Некоторые операционные усилители (например, TL074 или LF357) используют смесь JFET и BJT для достижения лучших характеристик в некоторых отношениях, чем в биполярных моделях. (JFET предпочтительнее MOSFET из-за их большей устойчивости, когда дело доходит до кратковременных перегрузок и статических разрядов.)

Эти операционные усилители обычно используют JFET для входного каскада дифференциального усилителя, причем большая часть остальной цепи является биполярной по причинам, которые другие приводили в своих ответах. Преимущество использования полевых транзисторов для входного каскада в точности как вы говорите: они имеют намного более высокий входной импеданс. Если вы посмотрите на спецификации различных операционных усилителей JFET, то увидите, что с входными токами смещения менее десяти пикоампер - и если вы посмотрите, например, на AD549L, он имеет входное смещение не более 60 femtoamperes, Стандартные биполярные операционные усилители, для сравнения, обычно имеют входные токи смещения порядка нескольких наноампер (как в OP07E), вплоть до микроампер или двух в некоторых случаях (как в известном LM741). Аналогичным образом и по тем же причинам входное сопротивление входного операционного усилителя JFET будет на пять или шесть порядков больше, чем у биполярного операционного усилителя.

Хотя есть компромисс. Входные операционные усилители JFET, как правило, имеют значительно больший шум входного напряжения. Упомянутый выше биполярный OP07E имеет низкочастотный шум менее 0,6 микровольт от пика до пика и высокочастотную плотность шума порядка десяти нановольт на корневой герц, в то время как AD549 с почти невозможным низким входным смещением имеет низкое частотный шум до 6 микровольт от пика до пика и плотность высокочастотного шума до 90 нановольт на корневой герц (хотя он падает до примерно 35 нВ / √Гц выше 1 кГц).

Как и во всем в жизни, нет панацеи, которая решает все ваши проблемы, нет операционного усилителя, который вы можете быть уверены, что он будет отвечать вашим потребностям независимо от того, что они есть. Если вам нужен сверхмалый ток смещения или очень высокий входной импеданс, используйте операционный усилитель с входом JFET. Если вам нужен низкий уровень шума или низкая стоимость, используйте биполярный операционный усилитель. Если вам нужно что-то, что ни один из них не может предоставить, посмотрите на что-нибудь более экзотическое. Скорее всего, вы найдете это где-то там.