Tại sao một op-amp sử dụng các BJT trên MOSFET?

Tôi đã luôn luôn nói rằng lý tưởng, op-amps có trở kháng đầu vào vô hạn. Vì vậy, khi tôi nhìn vào sơ đồ cấp độ bóng bán dẫn của LM741, tôi đã bối rối khi họ sử dụng các BJT thay vì MOSFET.

Sẽ không sử dụng kết quả BJT trong dòng chảy vào các chân đầu vào?

741 là một mảnh rác cũ, chủ yếu được sử dụng để dạy các thiết bị điện tử cơ bản với giá rẻ. Tôi dường như nhớ rằng đã đọc ở đâu đó rằng nếu mỗi 741 được thực hiện sẽ được thu thập, sẽ có đủ để cung cấp cho mỗi người trên trái đất 6 hoặc 8 trong số họ.

Amps hiện đại rơi vào một số loại.

1. Mục đích chung - Các ampe kế này không nhanh lắm, có các đặc tính không lý tưởng xấu (dòng điện thiên vị trong nanoamp), trôi dạt, có trở kháng đầu vào trong megaohms và chi phí gần như không có gì. 741 rơi vào loại này.

2. Đầu vào FET - Chúng nhanh hơn một chút, có các đặc điểm không lý tưởng tốt hơn đáng kể (dòng điện thiên vị trong picoamp), trôi rất ít, có trở kháng đầu vào cực cao (gigaohms), nhưng có thể tốn vài đô la.

3. CMOS - Ampe op op chậm, nhưng có các đặc điểm không lý tưởng tuyệt vời (dòng điện thiên vị trong FEMTOamp), trở kháng đầu vào cực cao (TERAohms), trôi dạt nhiều như ampe op mục đích chung và có thể tốn vài đô la. Đây là loại op amp có thể nhận được đầu ra của nó trong phạm vi millivolts của đường ray, nhưng điện áp đường sắt bị hạn chế.

4. Chopper Ổn định - Đây là một dạng khác của amp op op. Nó trôi rất ít, và có độ lệch rất thấp. Hãy xem bài viết này để biết thêm thông tin

Có những ampe kế khác có thể xử lý tần số RF hoặc xử lý dòng điện đầu ra cao, nhưng chúng không thực sự rơi vào các nguồn cấp dữ liệu này.

Như bạn có thể thấy, mỗi loại op amp có các đặc tính DC không lý tưởng khác nhau và trở kháng đầu vào. Có bao nhiêu dòng điện chạy vào đầu vào op amp phụ thuộc vào trở kháng đầu vào. Đối với hầu hết các ampe kế hiện đại, đây là những dòng điện rất nhỏ và có thể được coi là không đáng kể đối với phần lớn các ứng dụng. Loại op amp bạn sử dụng là xem xét thiết kế, bao thanh toán về tốc độ, chi phí, phạm vi nhiệt độ và bất kỳ mối quan tâm chính xác nào.

Các opamp lưỡng cực như 741 hay LM324 có sự đánh đổi khác với các opamp FET. Đối với một điều, chúng đã được thiết kế từ nhiều năm trước khi công nghệ IC FET kém tiên tiến hơn so với công nghệ IC lưỡng cực. Thật không công bằng khi gọi 741 rác; đó là một cái gì đó tuyệt vời trong thời gian của nó. Sản phẩm phái sinh gần gũi của nó, LM324, vẫn đang được sản xuất hàng loạt, vì vậy rõ ràng nhiều người nghĩ rằng đó là sự đánh đổi đúng đắn cho các yêu cầu của họ.

Một lợi thế đáng kể của LM324 là giá của nó. Thường thì bạn chỉ cần một opamp mà không có yêu cầu rất nghiêm ngặt. Nếu sản phẩm tăng băng thông 1 MHz, dòng điện thiên vị và vài mV bù đều đủ tốt, thì mọi thứ khác chỉ là rác đắt tiền.

Nói chung, dễ dàng hơn một chút để giảm điện áp bù xuống một vài mV với các lưỡng cực cho cùng một khu vực chip. Ngoài ra còn có lợi thế về khả năng ổ đĩa hiện tại và dải điện áp cung cấp. FET tất nhiên có trở kháng đầu vào thực sự cao. Ngày nay những sự phân biệt này mờ nhạt hơn. Bạn có thể nhận được các opamp đầu vào FET với điện áp bù thấp hơn một mV, nhưng sau đó so sánh giá của chúng với LM324.

Các opamp FET ban đầu, như TL07x và TL08x có các vấn đề khác, như khoảng không gian đầu vào của chế độ chung đầu vào rất cao ở cả hai đầu. Ngày nay, opamp FET dễ dàng hơn để tạo đường ray thành đường ray cho cả đầu vào và đầu ra, nhưng một lần nữa so sánh giá của MCPxxxx rẻ nhất với LM324 dự phòng cũ. Cũng lưu ý phạm vi điện áp cung cấp mà LM324 có thể hoạt động. Đó là một mẹo khó đối với hầu hết các opamp FET ngày nay.

Mọi thứ đều là sự đánh đổi.

MOSFE quá ồn đối với nhiều ứng dụng khuếch đại chính xác. Nếu bạn có nguồn trở kháng thấp, đối với nhiễu thấp nhất của bất kỳ bộ khuếch đại nguyên khối có sẵn nào, bạn cần đến bộ khuếch đại lưỡng cực như LT1028 có mật độ phổ nhiễu trắng là 1,1nV / sqrt (Hz). (Nếu điều đó không đủ tốt, một thiết kế rời rạc có thể làm tốt hơn).

Ngược lại với bộ khuếch đại đầu vào MOSFET điển hình như MCP601, thường là 29nV / sqrt (Hz), hoặc kém hơn khoảng 700 lần về công suất.

Nếu bạn đang thực hiện xử lý âm thanh audiophile, bộ khuếch đại tốt nhất trên thế giới là bộ phận lưỡng cực Texas (nee Burr-Brown). Nó có rất nhiều hiện tại sai lệch đầu vào, nhưng rất ít biến dạng.

Bộ khuếch đại MOSFET cũng hiếm khi có khả năng làm việc với điện áp cung cấp cao hơn, chẳng hạn như +/- 15V (một yêu cầu thường xuyên khác của thiết bị chính xác), và nếu có, chúng có xu hướng tốn một cánh tay và chân, tôi nghĩ rằng phần lớn là do chúng có được thực hiện trên dây chuyền xử lý CMOS điện áp cao đặc biệt và không trộn lẫn với các công cụ kỹ thuật số.

741 được thiết kế vào giữa những năm 1960, cách đây gần 50 năm. Đó là một phần của sự cải thiện so với các op-am trước đó (chẳng hạn như uA709), nhưng nó khá dài trong răng. Các phiên bản kép như JRC 4558 đáng kính đã được sử dụng trong các ứng dụng âm thanh trong nhiều thập kỷ. Như Olin chỉ ra, LM324 tương tự (giai đoạn đầu ra có sự khác biệt đáng kể, một phần để làm cho nó "cung cấp duy nhất"), nhưng chỉ tốn một hoặc hai xu cho mỗi bộ khuếch đại về số lượng.

Ngoài LM324, tôi không nghĩ rằng bất kỳ op-amp nào khác đã đạt được mức độ sử dụng rộng rãi như 741 (có thể một số bộ khuếch đại JFE đến gần) - thị trường bị balkan hóa nhiều hơn, với nhiều lựa chọn khác nhau cho nhà thiết kế, mỗi người có ưu điểm và nhược điểm riêng của nó. Vive la différence!

Điều đáng nói là về cơ bản khả năng truyền dẫn của một BJT cao hơn nhiều so với MOSFET. tức là dòng điện thay đổi theo cấp số nhân của điện áp được áp dụng trong trường hợp của một BJT, trong khi nó chỉ thay đổi theo bình phương của điện áp cho một MOSFET.

Lý tưởng nhất là tất cả các hệ thống sẽ là sự pha trộn giữa BJT và MOS, nhưng đó không phải là cách thế giới hoạt động. Vì vậy, đối với các hệ thống rời rạc, BJT là vua. Đối với các hệ thống tích hợp trên chip MOS là vua.

Câu hỏi này đã được trả lời nhiều lần, nhưng tôi cảm thấy như một đề cập nên được thực hiện trong các giai đoạn đầu vào của JFE. Một số ampe kế (ví dụ, TL074 hoặc LF357) sử dụng hỗn hợp JFE và BJT để đạt được các đặc tính tốt hơn ở một số khía cạnh so với thiết kế chỉ lưỡng cực. (JFE được ưa thích hơn MOSFE do khả năng phục hồi cao hơn khi gặp quá tải ngắn và xả tĩnh.)

Các ampe kế này thường sử dụng JFE cho tầng khuếch đại vi sai đầu vào, với hầu hết các phần còn lại của mạch là lưỡng cực vì những lý do khác đưa ra trong câu trả lời của chúng. Ưu điểm của việc sử dụng FET cho giai đoạn đầu vào chính xác như bạn nói: chúng có trở kháng đầu vào cao hơn nhiều. Nếu bạn nhìn vào thông số kỹ thuật của các loại op op đầu vào JFE khác nhau, bạn sẽ thấy những cái có dòng điện thiên vị đầu vào dưới mười picoamperes - và nếu bạn nhìn vào AD549L, chẳng hạn, nó có độ lệch đầu vào không quá 60 xương đùi. Để so sánh các ampe lưỡng cực tiêu chuẩn, thường có dòng điện phân cực đầu vào theo thứ tự của một vài nanoamper (như trong OP07E), cho đến một microampere hoặc hai trong một số trường hợp (như trong LM741 nổi tiếng). Tương tự như vậy, và vì những lý do tương tự, trở kháng đầu vào của amp op đầu vào JFE sẽ lớn hơn năm hoặc sáu bậc so với cường độ op amp lưỡng cực.

Có một sự đánh đổi, mặc dù. J amp op đầu vào có xu hướng có nhiễu điện áp đầu vào lớn hơn đáng kể. OP07E lưỡng cực được đề cập ở trên có nhiễu tần số thấp dưới 0,6 microvolts mật độ nhiễu tần số cực đại và cực đại theo thứ tự mười nanovolts trên mỗi hertz gốc, trong khi AD549 với độ lệch đầu vào thấp không thể tưởng tượng được của nó thấp nhiễu tần số lên đến 6 microvol mật độ nhiễu tần số cực đại đến cực đại và tần số cao tới 90 nanovolts trên mỗi hertz gốc (mặc dù nó giảm xuống khoảng 35 nV / √Hz trên 1 kHz).

Như với mọi thứ trong cuộc sống, không có thuốc chữa bách bệnh nào giải quyết được tất cả các vấn đề của bạn, không có op amp mà bạn có thể chắc chắn sẽ đáp ứng nhu cầu của bạn bất kể chúng là gì. Nếu bạn cần dòng điện phân cực thấp hoặc trở kháng đầu vào rất cao, hãy đi với amp op đầu vào JFE. Nếu bạn cần tiếng ồn thấp hoặc chi phí thấp, hãy đi với một amp op lưỡng cực. Nếu bạn cần thứ gì đó không ai có thể cung cấp, tốt, hãy nhìn vào thứ gì đó kỳ lạ hơn. Rất có thể, bạn sẽ tìm thấy nó ở đâu đó ngoài kia.