Perché un amplificatore operazionale dovrebbe usare i BJT sui MOSFET?

Mi è sempre stato detto che idealmente, gli op-amp hanno un'impedenza di ingresso infinita. Quindi, quando stavo guardando lo schema di livello dei transistor dell'LM741, ero confuso quando usavano i BJT invece dei MOSFET.

L'uso di un BJT non comporterebbe un flusso di corrente nei pin di input?

Il 741 è un vecchio pezzo di spazzatura, usato principalmente per insegnare elettronica di base a buon mercato. Mi sembra di aver letto da qualche parte che se ogni 741 mai realizzato dovesse essere raccolto, ci sarebbe abbastanza da dare a tutti sulla terra 6 o 8 di loro.

I moderni amplificatori operazionali rientrano in diverse categorie.

1. Scopo generale - Questi amplificatori operazionali non sono molto veloci, hanno cattive caratteristiche non ideali (correnti di polarizzazione nei nanoamplificatori), deriva, impedenze di ingresso nei megaohm e non costano quasi nulla. Il 741 rientra in questa categoria.

2. Ingressi FET - Questi sono un po 'più veloci, hanno caratteristiche non ideali significativamente migliori (correnti di polarizzazione nei picoamp), si spostano molto poco, hanno impedenze di ingresso estremamente elevate (gigaohm), ma possono costare pochi dollari.

3. CMOS - Gli amplificatori operazionali CMOS sono lenti, ma presentano eccellenti caratteristiche non ideali (correnti di polarizzazione negli FEMTOamps), impedenza di ingresso estremamente elevata (TERAohms), deriva circa quanto gli amplificatori operazionali per uso generale e può costare pochi dollari. Questo è il tipo di amplificatore operazionale che può ottenere la sua uscita in millivolt delle rotaie, ma la tensione della rotaia è limitata.

4. Chopper Stabilized - Questa è un'altra forma dell'amplificatore operazionale CMOS. Va alla deriva molto poco e ha offset molto bassi. Dai un'occhiata a questo articolo per ulteriori informazioni

Esistono altri amplificatori operazionali in grado di gestire frequenze RF o correnti di uscita elevate, ma in realtà non rientrano in queste categorie.

Come puoi vedere, ogni tipo di amplificatore operazionale ha diverse caratteristiche DC non ideali e impedenza di ingresso. La quantità di corrente che fluisce negli ingressi dell'amplificatore operazionale dipende dall'impedenza di ingresso. Per la maggior parte degli amplificatori operazionali moderni, queste sono correnti molto ridotte e possono essere considerate trascurabili per la maggior parte delle applicazioni. Quale tipo di amplificatore operazionale usi è una considerazione di progettazione, tenendo conto della velocità, dei costi, dell'intervallo di temperatura e di eventuali problemi di precisione.

Opamp bipolari come il 741 o LM324 hanno compromessi diversi rispetto agli opamp FET. Per prima cosa, sono stati progettati molti anni fa quando la tecnologia IC FET era meno avanzata rispetto alla tecnologia IC bipolare. Non è giusto chiamare la spazzatura 741; era qualcosa di meraviglioso ai suoi tempi. Il suo derivato stretto, l'LM324, è ancora oggi in produzione in serie, quindi ovviamente molte persone pensano che sia il giusto compromesso per le loro esigenze.

Un vantaggio significativo dell'LM324 è il suo prezzo. Abbastanza spesso basta un opamp senza requisiti molto severi. Se il prodotto guadagna 1 MHz × larghezza di banda, la corrente di polarizzazione e i pochi mV di offset sono tutti abbastanza buoni, allora tutto il resto è solo spazzatura costosa.

In generale, è un po 'più semplice ridurre la tensione di offset a pochi mV con i bipolari per la stessa area di chip. Ci sono anche vantaggi nella capacità di azionamento corrente e nella gamma di tensione di alimentazione. Le FET ovviamente hanno un'impedenza di ingresso davvero elevata. Oggi queste distinzioni sono più sfocate. È possibile ottenere opamp di ingresso FET con tensioni di offset ben al di sotto di un mV, ma quindi confrontare il loro prezzo con LM324.

I primi opamp FET, come TL07x e TL08x, presentavano altri problemi, come un margine di campo di modalità comune di input molto elevato su entrambe le estremità. Oggi, gli opamp FET sono più facili da realizzare rail to rail sia per input che per output, ma confrontano ancora una volta il prezzo anche del MCPxxxx più economico con il vecchio standby LM324. Notare inoltre l'intervallo di tensione di alimentazione su cui può funzionare l'LM324. Questo è un trucco difficile per la maggior parte degli opamp di FET di oggi.

Tutto è un compromesso.

I MOSFET sono troppo rumorosi per molte applicazioni di amplificatori di precisione. Se si dispone di una sorgente a bassa impedenza, per il rumore più basso di qualsiasi amplificatore monolitico disponibile, è necessario passare a un amplificatore bipolare come l' LT1028 che ha una densità spettrale del rumore bianco di 1,1 nV / sqrt (Hz). (Se questo non è abbastanza buono, un design discreto può fare di meglio).

Contrastalo con un tipico amplificatore a ingresso MOSFET come l'MCP601, che in genere è 29nV / sqrt (Hz), o circa 700 volte peggiore in termini di potenza.

Se stai eseguendo l'elaborazione audio audiofila, il miglior amplificatore al mondo è una parte bipolare di Texas Instruments (nata Burr-Brown). Ha molta corrente di polarizzazione in ingresso, ma una distorsione minima.

Anche gli amplificatori MOSFET raramente sono in grado di funzionare con tensioni di alimentazione più elevate, come +/- 15 V (un altro requisito frequente di strumentazione di precisione) e, se lo sono, tendono a costare un braccio e una gamba, penso che sia principalmente perché hanno da realizzare su una speciale linea di processo CMOS ad alta tensione e non miscelato con materiale digitale.

Il 741 fu progettato a metà degli anni '60, quindi quasi 50 anni fa. È stato in qualche modo un miglioramento rispetto ai precedenti amplificatori operazionali (come l'UA709), ma è piuttosto lungo nel dente. Versioni doppie come il venerabile JRC 4558 sono state utilizzate nelle applicazioni audio per decenni. Come sottolinea Olin, l'LM324 è simile (lo stadio di uscita presenta differenze significative, in parte per renderlo "fornitura singola"), ma costa solo un centesimo o due per amplificatore in quantità.

A parte l'LM324, non credo che nessun altro op-amp abbia raggiunto un uso così ampio come il 741 (forse alcuni degli amplificatori JFET si avvicinano) - il mercato è più balcanizzato, con molte scelte diverse per il progettista, ognuna con i suoi vantaggi e svantaggi. Vive la différence!

Vale la pena sottolineare che fondamentalmente la transconduttanza di un BJT è molto più elevata rispetto a un MOSFET. cioè la corrente varia con l'esponenziale della tensione applicata nel caso di un BJT, mentre varia solo con il quadrato della tensione per un MOSFET.

Idealmente tutti i sistemi sarebbero un mix di BJT e MOS, ma non è così che funziona il mondo. Quindi, per i sistemi discreti, BJT è il re. Per i sistemi integrati su un chip MOS è il re.

A questa domanda è stata data una risposta più volte, ma mi sento di menzionare gli stadi di ingresso JFET. Alcuni amplificatori operazionali (ad esempio, TL074 o LF357) utilizzano una combinazione di JFET e BJT per ottenere caratteristiche migliori sotto alcuni aspetti rispetto a un design solo bipolare. (I JFET sono preferiti ai MOSFET a causa della loro maggiore resilienza quando si tratta di brevi sovraccarichi e scariche statiche.)

Questi amplificatori operazionali utilizzano in genere JFET per lo stadio amplificatore differenziale di ingresso, con la maggior parte del resto del circuito bipolare per i motivi che altri hanno fornito nelle loro risposte. Il vantaggio dell'utilizzo dei FET per lo stadio di ingresso è esattamente come dici tu: hanno un'impedenza di ingresso molto più elevata. Se si osservano le specifiche di vari amplificatori operazionali di ingresso JFET, si vedranno quelli con correnti di polarizzazione di ingresso inferiori a dieci picoamper e, ad esempio, se si osserva AD549L, ha una polarizzazione di ingresso non superiore a 60 femtoamperes. Gli amplificatori operazionali bipolari standard, per confronto, in genere hanno correnti di polarizzazione di ingresso dell'ordine di alcuni nanoamperes (come nell'OP07E), fino a un microampere o due in alcuni casi (come nel famoso LM741). Allo stesso modo, e per gli stessi motivi, l'impedenza di ingresso di un amplificatore operazionale di ingresso JFET sarà di cinque o sei ordini di grandezza maggiore di quella di un amplificatore operazionale bipolare.

C'è un compromesso, però. Gli amplificatori operazionali di ingresso JFET tendono ad avere un rumore di tensione di ingresso significativamente maggiore. L'OP07E bipolare sopra menzionato ha un rumore a bassa frequenza inferiore a 0,6 microvolt picco-picco e densità di rumore ad alta frequenza nell'ordine di dieci nanovolt per radice hertz, mentre l'AD549 con il suo bias di ingresso quasi impossibile ha rumore di frequenza fino a 6 microvolt densità picco-picco e alta frequenza fino a 90 nanovolt per radice hertz (sebbene scenda a circa 35 nV / √Hz sopra 1 kHz).

Come per ogni cosa nella vita, non esiste una panacea che risolva tutti i tuoi problemi, non esiste un amplificatore operazionale di cui puoi essere certo che soddisferà le tue esigenze indipendentemente da ciò che sono. Se hai bisogno di una corrente di polarizzazione bassissima o un'impedenza di ingresso molto elevata, scegli un amplificatore operazionale con ingresso JFET. Se hai bisogno di basso rumore o basso costo, scegli un amplificatore operazionale bipolare. Se hai bisogno di qualcosa che nessuno di questi può fornire, beh, cerca qualcosa di più esotico. È probabile che lo troverai da qualche parte là fuori.