Чому оп-підсилювач використовує BJT через MOSFET?

Мені завжди говорили, що в ідеалі підсилювачі мають нескінченний вхідний опір. Тож, коли я дивився на схему транзисторного рівня LM741, я був розгублений, коли вони використовували BJT замість MOSFET.

Хіба не використання BJT призведе до того, що струм надходить у вхідні штифти?

741 - це старий шматок сміття, який в основному використовується для викладання базової електроніки за дешевим. Я, мабуть, пам’ятаю, як десь читав, що якщо кожного 741 колись зробленого збирати, було б достатньо, щоб дати кожній людині на землі 6 чи 8 з них.

Сучасні амперні підсилювачі поділяються на кілька категорій.

1. Загальне призначення - Ці підсилювачі не дуже швидкі, мають погані неідеальні характеристики (струми зміщення в наноамперах), дрейфують, мають вхідні опори в мегаомах і майже нічого не коштують. 741 потрапляє до цієї категорії.

2. Вхід FET - вони трохи швидші, мають значно кращі неідеальні характеристики (струми зміщення в пікампах), дрейфують дуже мало, мають надзвичайно високі вхідні опори (gigaohms), але можуть коштувати кілька доларів.

3. CMOS - Операційні підсилювачі CMOS повільні, але мають відмінні неідеальні характеристики (струми зміщення в FEMTOamps), надзвичайно високий вхідний опір (TERAohms), дрейфують приблизно стільки ж, скільки загальні цілі напруги, і можуть коштувати кілька доларів. Це тип підсилювача, який може отримати вихід на мілівольтах рейок, але напруга в рейці обмежена.

4. Стабілізований подрібнювач - це ще одна форма підсилювача CMOS. Він дрейфує дуже мало і має дуже низькі компенсації. Погляньте на цю статтю для отримання додаткової інформації

Існують і інші підсилювачі, які можуть обробляти радіочастотні частоти або обробляти високі вихідні струми, але вони справді не потрапляють у ці послуги.

Як бачите, кожен тип підсилювачів має різні неідеальні характеристики постійного струму та вхідний опір. Скільки струму надходить на входи змінного струму залежить від вхідного опору. Для більшості сучасних підсилювачів напруги це дуже малі струми, і їх можна вважати незначними для більшості застосувань. Який тип підсилювача ви використовуєте - це розробка конструкції, враховуючи швидкість, вартість, діапазон температур та будь-які проблеми щодо точності.

Біполярні операційні підсилювачі, такі як 741 або LM324, мають різні компроміси, ніж операційні підсилювачі FET. З одного боку, вони були розроблені багато років тому, коли технології FET IC були менш розвиненими по відношенню до біполярної технології ІС. Несправедливо називати 741 мотлохом; це було щось чудове у свій час. Його близька похідна продукція, LM324, досі продовжує виробляти обсяг виробництва, тому, очевидно, багато людей вважають, що це правильний компроміс для їх потреб.

Однією суттєвою перевагою LM324 є його ціна. Досить часто вам просто потрібен підсилювач без дуже жорстких вимог. Якщо виріб пропускної здатності 1 МГц × пропускної здатності, струм зміщення та декілька мВ зміщення є досить хорошими, то все інше - це лише дорогий мотлох.

Взагалі, дещо простіше знизити напругу зміщення до кількох мВ за допомогою біполярів для тієї ж області мікросхем. Також є переваги в поточному можливостях приводу та діапазоні напруги живлення. Звичайно, ПНТ мають дуже високий вхідний опір. У наш час ці відмінності більш розмиті. Ви можете отримати вхідні підсилювачі FET зі зміщеними напругами набагато нижче мВ, але потім порівняйте їх ціну з LM324.

Ранні FET opamps, як і TL07x та TL08x, мали інші проблеми, як дуже високий вхідний загальний діапазон режиму на обох кінцях. На сьогоднішній день оперативним підсилювачам FET легше зробити залізницю залізницею як для вводу, так і для виходу, але знову порівняємо ціну навіть найдешевшого MCPxxxx зі старим режимом очікування LM324. Також врахуйте діапазон напруги живлення, над яким може працювати LM324. Це складний трюк для більшості сьогоднішніх операційних підсильників FET.

Все є компромісом.

MOSFET занадто галасливі для багатьох застосувань точного підсилювача. Якщо у вас джерело низького опору, для найнижчого шуму будь-якого наявного монолітного підсилювача вам потрібно перейти до біполярного підсилювача, наприклад, LT1028, який має спектральну щільність білого шуму 1,1nV / sqrt (Гц). (Якщо це недостатньо добре, дискретний дизайн може зробити краще).

На противагу цьому з типовим підсилювачем на вході MOSFET, таким як MCP601, який, як правило, 29nV / sqrt (Гц), або приблизно в 700 разів гірший за потужністю.

Якщо ви займаєтесь аудіофільною обробкою звуку, найкращим підсилювачем у світі є біполярна частина компанії Texas Instruments (у народженні Burr-Brown). Він має багато вхідного зміщення струму, але дуже мало спотворень.

Підсилювачі MOSFET також рідко здатні працювати з більш високими напругами живлення, такими як +/- 15V (ще одна часта вимога точного приладу), і якщо вони є, вони, як правило, коштують руку і ногу, я думаю, що це здебільшого тому, що вони мають виготовлятись на спеціальній технологічній лінії високої напруги CMOS і не змішувати з цифровими матеріалами.

741 був сконструйований у середині 1960-х, тобто майже 50 років тому. Це було дещо поліпшенням порівняно з більш ранніми підсилювачами (наприклад, uA709), але він досить довгий. Подвійні версії, такі як поважний JRC 4558, використовуються в аудіо-програмах десятиліттями. Як зазначає Олін, LM324 схожий (вихідний етап має суттєві відмінності, почасти для того, щоб зробити його "однократною подачею"), але коштує лише копійки або дві на один підсилювач у кількості.

Окрім LM324, я не думаю, що жоден інший підсилювач не досяг такого широкого використання, як 741 (можливо, деякі підсилювачі JFET наближаються) - ринок є більш балканізованим, з багатьма різними варіантами дизайнера, кожен з свої переваги та недоліки. Vive la différence!

Варто зазначити, що принципово транскодукційність BJT набагато вище, ніж для MOSFET. тобто струм змінюється залежно від експоненції прикладеної напруги у випадку BJT, тоді як він змінюється лише від квадрата напруги для MOSFET.

В ідеалі всі системи були б сумішшю BJT та MOS, але не так працює світ. Так що для дискретних систем BJT є королем. Для інтегрованих систем на мікросхемі MOS є королем.

На це питання відповіли кілька разів, але я вважаю, що слід згадати етапи введення JFET. Деякі підсилювачі (наприклад, TL074 або LF357) використовують суміш JFET і BJT, щоб досягти кращих характеристик в деяких відношеннях, ніж біполярна конструкція. (JFET віддають перевагу над MOSFET через їх більшу стійкість, якщо мова йде про короткі перевантаження та статичні розряди.)

Ці підсилювачі зазвичай використовують JFET для вхідного диференціального підсилювача, при цьому більшість решти ланцюга є біполярними з причин, які інші вказали у своїх відповідях. Перевага використання FETs для вхідного етапу полягає саме в тому, що ви говорите: вони мають набагато більший вхідний опір. Якщо ви подивитеся на характеристики різних підсилювачів JFET-входу, ви побачите такі, які мають вхідні струми зміщення менше десяти пікоамперів, - і якщо ви, наприклад, дивитесь на AD549L, він має зміщення входу не більше 60 фемтоампер. Для порівняння стандартні біполярні підсилювачі, як правило, мають вхідні струми зсуву в порядку декількох наноамперів (як у OP07E), аж до мікроампери або двох у деяких випадках (як у відомому LM741). Так само і з тих же причин вхідний опір підсилювача JFET-входу буде на п’ять-шість порядків більше, ніж у біполярного підсилювача.

Однак є компроміс. Вхідні підсилювачі JFET, як правило, мають значно більший шум вхідної напруги. Біполярний OP07E, згаданий вище, має низькочастотний шум менше 0,6 мікровольтів пік-пік і високочастотний шум щільності порядку десяти нановольт на кореневий герц, тоді як AD549 з його майже неможливим низьким вхідним зміщенням має низький- частотний шум до 6 мікровольтів пік-пік і високочастотна щільність шуму до 90 нановольт на корінь герц (хоча він знижується приблизно на 35 нВ / √Гц вище 1 кГц).

Як і у всьому житті, не існує панацеї, яка б вирішила всі ваші проблеми, немає жодного підсилювача, який ви можете бути просто впевнені, що задовольнять ваші потреби незалежно від того, що вони є. Якщо вам потрібен наднизький струм зміщення або дуже високий вхідний опір, перейдіть з підсилювачем JFET-підсилювача. Якщо вам потрібен низький рівень шуму або низька вартість, перейдіть з двополюсним підсилювачем. Якщо вам потрібно щось, що ніхто з них не зможе поставити, добре, погляньте на щось більш екзотичне. Швидше за все, ви знайдете його десь там.