เหตุใด op-amp ใช้ BJT มากกว่า MOSFET

ฉันได้รับการบอกเสมอว่าในอุดมคติแล้วแอมป์แอมป์มีความต้านทานอินพุตไม่สิ้นสุด ดังนั้นเมื่อฉันดูแผนผังระดับทรานซิสเตอร์ของ LM741 ฉันก็สับสนเมื่อพวกเขาใช้ BJT แทน MOSFET

การใช้ BJT จะไม่ส่งผลให้กระแสไหลเข้าสู่ขาอินพุตหรือไม่

741 เป็นขยะเก่าที่ใช้เป็นหลักในการสอนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขั้นพื้นฐานในราคาถูก ดูเหมือนว่าฉันจะจำการอ่านที่ไหนสักแห่งได้ว่าถ้ามีคนเก็บสะสม 741 คนทุกคนมันจะเพียงพอที่จะให้ทุกคนบนโลก 6 หรือ 8 ของพวกเขา

แอมป์สหกรณ์ที่ทันสมัยตกอยู่ในหลายประเภท

1. วัตถุประสงค์ทั่วไป - แอมป์สหกรณ์เหล่านี้ไม่เร็วมากมีคุณสมบัติที่ไม่เหมาะอย่างยิ่ง (กระแสอคติใน nanoamps) ล่องลอยมีอิมพีแดนซ์อินพุตในระดับเมกะเฮิรตซ์และแทบไม่มีค่าใช้จ่ายเลย ตก 741 ในหมวดหมู่นี้

2. FET อินพุต - เร็วกว่านี้มีลักษณะที่ไม่เหมาะเป็นอย่างยิ่ง (กระแสไบแอสในปิโกแคม) ลอยน้อยมากมีอิมพีแดนซ์อินพุตสูงมาก (gigaohms) แต่อาจมีค่าใช้จ่ายไม่กี่ดอลลาร์

3. CMOS - แอมป์สหกรณ์ CMOS ช้า แต่มีคุณสมบัติที่ไม่เหมาะอย่างยิ่ง (กระแสไบแอสใน FEMTOamps) ความต้านทานอินพุตสูงมาก (TERAohms) ล่องลอยไปเกือบเท่าแอมป์วัตถุประสงค์ทั่วไปและอาจเสียค่าใช้จ่ายไม่กี่ดอลลาร์ นี่คือประเภทของแอมป์สหกรณ์ที่สามารถรับเอาต์พุตได้ภายในมิลลิโวลต์ของราง แต่แรงดันไฟฟ้าของรางมี จำกัด

4. Chopper Stabilized - นี่เป็นอีกรูปแบบหนึ่งของ CMOS op amp มันลอยน้อยมากและมีการชดเชยที่ต่ำมาก ลองดูที่บทความนี้สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม

มีแอมป์อื่น ๆ ที่สามารถจัดการกับคลื่นความถี่วิทยุ RF หรือจัดการกระแสเอาต์พุตสูง แต่ก็ไม่ได้ตกอยู่ในอุปกรณ์รองรับเหล่านี้

อย่างที่คุณเห็นแอมป์สหกรณ์แต่ละประเภทมีคุณสมบัติ DC ที่ไม่เหมาะและความต้านทานอินพุตต่างกัน กระแสไฟไหลเข้าสู่อินพุตแอมป์สหกรณ์ขึ้นอยู่กับอิมพิแดนซ์อินพุต สำหรับแอมป์สหกรณ์ที่ทันสมัยส่วนใหญ่เป็นกระแสขนาดเล็กมากและสามารถพิจารณาเล็กน้อยสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ ประเภทของแอมป์สหกรณ์ที่คุณใช้คือการพิจารณาการออกแบบการคำนึงถึงความเร็วราคาช่วงอุณหภูมิและความแม่นยำที่เกี่ยวข้อง

opip แบบสองขั้วเช่น 741 หรือ LM324 มีการแลกเปลี่ยนที่แตกต่างจาก opet ของ FET สิ่งหนึ่งที่พวกเขาได้รับการออกแบบเมื่อหลายปีก่อนเมื่อเทคโนโลยี FET IC นั้นมีความก้าวหน้าน้อยกว่าเมื่อเทียบกับเทคโนโลยี IC แบบสองขั้ว มันไม่ยุติธรรมที่จะเรียกขยะ 741 อัน มันเป็นสิ่งที่ยอดเยี่ยมในเวลา LM324 เป็นอนุพันธ์ที่ใกล้ชิดของมันยังอยู่ในการผลิตในปริมาณมากในปัจจุบันดังนั้นหลายคนคิดว่ามันเป็นการแลกเปลี่ยนที่ถูกต้องสำหรับความต้องการของพวกเขา

ข้อดีอย่างหนึ่งที่สำคัญของ LM324 คือราคาของมัน บ่อยครั้งที่คุณต้องใช้ opamp โดยไม่มีข้อกำหนดที่เข้มงวด หาก 1 MHz ได้รับผลิตภัณฑ์แบนด์วิธ×กระแสไบอัสและออฟเซตไม่กี่ mV นั้นดีพอแล้วทุกอย่างอื่นก็เป็นเพียงขยะที่มีราคาแพง

โดยทั่วไปแล้วมันง่ายกว่าเล็กน้อยที่จะลดแรงดันออฟเซ็ตให้เหลือไม่กี่ mV โดยมี bipolar สำหรับพื้นที่ชิปเดียวกัน นอกจากนี้ยังมีข้อได้เปรียบในความสามารถของไดรฟ์ปัจจุบันและช่วงแรงดันไฟฟ้า แน่นอนว่า FET นั้นมีความต้านทานอินพุตสูงมาก ทุกวันนี้ความแตกต่างเหล่านี้เบลอมากขึ้น คุณสามารถรับอินพุต FET ที่มีแรงดันออฟเซ็ตต่ำกว่า mV แต่จากนั้นเปรียบเทียบราคากับ LM324

FET opamps ก่อนเช่น TL07x และ TL08x มีปัญหาอื่น ๆ เช่น headroom ช่วงโหมดอินพุตทั่วไปที่สูงมากที่ปลายทั้งสอง ทุกวันนี้ Opet ของ FET นั้นง่ายต่อการสร้างทางรถไฟไปยังทางรถไฟสำหรับทั้งอินพุตและเอาท์พุท แต่เปรียบเทียบราคาของ MCPxxxx ที่ถูกที่สุดอีกครั้งกับ LM324 สแตนด์บายเก่า นอกจากนี้โปรดสังเกตช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ LM324 สามารถทำงานได้ นั่นเป็นเคล็ดลับที่ยากสำหรับ opamp ของ FET ส่วนใหญ่ในปัจจุบัน

ทุกอย่างเป็นการแลกเปลี่ยน

MOSFET ดังเกินไปสำหรับแอปพลิเคชั่นแอมพลิฟายเออร์ที่มีความแม่นยำจำนวนมาก หากคุณมีแหล่งกำเนิดความต้านทานต่ำสำหรับเสียงรบกวนต่ำสุดของแอมพลิฟายเออร์เสาหินที่มีอยู่คุณต้องไปที่แอมพลิฟายเออร์ bipolar เช่นLT1028ซึ่งมีความหนาแน่นสเปกตรัมสีขาวที่ 1.1nV / sqrt (Hz) (หากยังไม่ดีพอการออกแบบที่ไม่ต่อเนื่องสามารถทำได้ดีกว่า)

ตรงกันข้ามกับเครื่องขยายเสียง MOSFET-input ทั่วไปเช่น MCP601 ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะ 29nV / sqrt (Hz) หรือแย่กว่า 700 เท่าในแง่ของพลังงาน

หากคุณทำการประมวลผลเสียงออดิโอไฟล์เครื่องขยายเสียงที่ดีที่สุดในโลกคือชิ้นส่วนไบโพลาร์ของ Texas Instruments (nee Burr-Brown) มีกระแสไบอัสอินพุทจำนวนมาก แต่มีความเพี้ยนน้อยมาก

MOSFET แอมพลิฟายเออร์ไม่ค่อยมีความสามารถในการทำงานกับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นเช่น +/- 15V (ความต้องการเครื่องมือวัดที่มีความแม่นยำสูง) และถ้าเป็นเช่นนั้นพวกเขามักจะมีแขนและขาเป็นส่วนใหญ่เพราะพวกเขามี ที่จะทำในสายการผลิต CMOS แรงดันสูงพิเศษและไม่ได้ผสมกับเนื้อหาดิจิตอล

741 ได้รับการออกแบบในช่วงกลางทศวรรษ 1960 เกือบ 50 ปีที่แล้ว มันค่อนข้างจะดีขึ้นเมื่อเทียบกับ op-amps รุ่นก่อนหน้า (เช่น uA709) แต่มันค่อนข้างยาวในฟัน รุ่นคู่เช่น JRC 4558 ที่น่าเชื่อถือได้ถูกนำมาใช้ในแอพพลิเคชั่นด้านเสียงมานานหลายทศวรรษ ดังที่แลงชี้ให้เห็น LM324 นั้นมีความคล้ายคลึงกัน (ขั้นตอนการส่งออกมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญส่วนหนึ่งเพื่อให้มัน "อุปทานเดียว") แต่ค่าใช้จ่ายเพียงเพนนีหรือสองต่อปริมาณในเครื่องขยายเสียง

นอกเหนือจาก LM324 แล้วฉันไม่คิดว่า op-amp อื่นใดที่ได้รับการใช้อย่างกว้างขวางเช่นเดียวกับ 741 (บางทีแอมพลิฟายเออร์ JFET บางตัวเข้ามาใกล้) - ตลาดนั้นมีความเป็น balkanized มากขึ้น ข้อดีและข้อเสียของตัวเอง Vive la différence!

มันมีค่าที่ชี้ให้เห็นว่าพื้นฐานการแปลงสภาพของ BJT นั้นสูงกว่า MOSFET มาก เช่นกระแสไฟฟ้าแปรผันตามค่าเอ็กซ์โพเนนเชียลของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ในกรณีของ BJT ในขณะที่มันจะแปรผันตรงกับกำลังไฟฟ้าของกำลังสองของมอสเฟต

ทุกระบบจะเป็นการผสมผสานระหว่าง BJT และ MOS แต่นั่นไม่ใช่วิธีการทำงานของโลก ดังนั้นสำหรับระบบที่ไม่ต่อเนื่อง BJT จึงเป็นราชา สำหรับระบบบูรณาการบนชิป MOS เป็นกษัตริย์

คำถามนี้ได้รับคำตอบมาหลายครั้งแล้ว แต่ฉันรู้สึกว่าควรพูดถึงขั้นตอนการป้อนข้อมูลของ JFET แอมป์บางตัว (เช่น TL074 หรือ LF357) ใช้ส่วนผสมของ JFETs และ BJT เพื่อให้ได้คุณสมบัติที่ดีขึ้นในบางประเด็นมากกว่าการออกแบบแบบไบโพลาร์อย่างเดียว (JFETs เป็นที่ต้องการมากกว่า MOSFET เนื่องจากความยืดหยุ่นที่สูงขึ้นของพวกเขาเมื่อมันมาถึงการโอเวอร์โหลดสั้น ๆ และการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต)

แอมป์สหกรณ์เหล่านี้มักใช้ JFETs สำหรับแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลสเตจโดยส่วนที่เหลือของวงจรจะเป็นสองขั้วด้วยเหตุผลอื่น ๆ ที่ได้ให้ไว้ในคำตอบของพวกเขา ข้อดีของการใช้ FETs สำหรับขั้นตอนการป้อนข้อมูลเป็นสิ่งที่คุณพูดว่าพวกเขามีความต้านทานอินพุตที่สูงขึ้นมาก ถ้าคุณดูรายละเอียดของแอมป์ JFET-input ต่างๆคุณจะเห็นคนที่มีกระแสไบแอสอินพุตน้อยกว่าสิบปิโกรัส - และถ้าคุณดู AD549L มันมีอคติอินพุตไม่เกิน 60 femtoamperes. แอมป์แบบสองขั้วมาตรฐานสำหรับการเปรียบเทียบมักจะมีกระแสไบแอสอินพุตตามลำดับของ nanoamperes สองสามตัว (ใน OP07E) จนถึง microampere หรือสองในบางกรณี (เช่นใน LM741 ที่มีชื่อเสียง) ในทำนองเดียวกันและด้วยเหตุผลเดียวกันความต้านทานอินพุตของแอมป์สหกรณ์ JFET-input จะเป็นห้าหรือหกคำสั่งของขนาดที่ใหญ่กว่าของแอมป์ขั้วสองขั้ว

แม้ว่าจะมีการแลกเปลี่ยนกัน แอมป์อินพุต JFET มีแนวโน้มที่จะมีเสียงรบกวนแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ OP07E สองขั้วที่กล่าวถึงข้างต้นมีสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำน้อยกว่า 0.6 ไมโครโวลต์ความหนาแน่นของสัญญาณรบกวนสูงสุดต่อยอดและความถี่สูงตามคำสั่งของสิบนาโนโวลต์ต่อรากเฮิรตซ์ในขณะที่ AD549 ที่มีอคติอินพุตต่ำใกล้เคียง เสียงความถี่สูงถึง 6 microvolts ความหนาแน่นเสียงสูงสุดและสูงสุดความถี่สูงถึง 90 nanovolts ต่อรากเฮิร์ตซ์ (แม้ว่าจะลดลงถึง 35 nV / √Hzสูงกว่า 1 kHz)

เช่นเดียวกับทุกสิ่งในชีวิตไม่มียาครอบจักรวาลที่แก้ปัญหาทั้งหมดของคุณไม่มีแอมป์สหกรณ์ที่คุณสามารถมั่นใจได้ว่าจะตอบสนองความต้องการของคุณโดยไม่คำนึงถึงสิ่งที่พวกเขาเป็น หากคุณต้องการกระแสไบอัสต่ำพิเศษหรืออิมพิแดนซ์อินพุตสูงมากให้ไปที่แอมป์สหกรณ์ JFET อินพุต หากคุณต้องการเสียงรบกวนต่ำหรือราคาต่ำไปกับแอมป์แบบสองขั้ว op หากคุณต้องการบางสิ่งที่ไม่สามารถจัดหาได้ให้ดูที่สิ่งที่แปลกใหม่มากขึ้น โอกาสที่คุณจะพบมันที่ไหนสักแห่งที่นั่น