Зачем операционному усилителю использовать биполярные транзисторы вместо полевых МОП-транзисторов?

741 — старый кусок хлама, в основном используемый для дешевого обучения основам электроники. Помнится, я где-то читал, что если собрать все когда-либо сделанные 741 штуку, их будет достаточно, чтобы дать каждому человеку на земле 6 или 8 таких.

Современные операционные усилители делятся на несколько категорий.

1. Общее назначение. Эти операционные усилители не очень быстрые, имеют плохие неидеальные характеристики (токи смещения в наноамперах), дрейф, имеют входное сопротивление в мегаомах и почти ничего не стоят. 741 попадает в эту категорию.

2. Входы на полевых транзисторах - они немного быстрее, имеют значительно лучшие неидеальные характеристики (токи смещения в пикоамперах), очень мало дрейфуют, имеют чрезвычайно высокое входное сопротивление (гигаомы), но могут стоить несколько долларов.

3. КМОП — КМОП-операционные усилители медленные, но имеют отличные неидеальные характеристики (токи смещения в ФЕМТО-усилителях), чрезвычайно высокий входной импеданс (TERAohms), дрейф примерно такой же, как у операционных усилителей общего назначения, и могут стоить несколько долларов. Это тип операционного усилителя, который может получить выходной сигнал в милливольтах от напряжения питания, но напряжение питания ограничено.

4. Chopper Stabilized — это еще одна форма КМОП-операционного усилителя. Он очень мало дрейфует и имеет очень маленькое смещение. Взгляните на эту статью для получения дополнительной информации

Существуют и другие операционные усилители, которые могут обрабатывать высокочастотные частоты или работать с большими выходными токами, но они не попадают в эти категории.

Как видите, каждый тип операционных усилителей имеет разные неидеальные характеристики по постоянному току и входное сопротивление. То, какой ток протекает на входы операционного усилителя, зависит от входного импеданса. Для большинства современных операционных усилителей это очень малые токи, и ими можно пренебречь для большинства приложений. Какой тип операционного усилителя вы используете, зависит от конструкции, с учетом скорости, стоимости, диапазона температур и любых проблем с точностью.

Биполярные операционные усилители, такие как 741 или LM324, имеют другие недостатки, чем операционные усилители на полевых транзисторах. Во-первых, они были разработаны много лет назад, когда технология ИС на полевых транзисторах была менее развитой по сравнению с технологией биполярных ИС. Несправедливо называть 741 барахлом; это было что-то прекрасное в свое время. Его близкая производная, LM324, все еще находится в массовом производстве сегодня, поэтому очевидно, что многие люди думают, что это правильный компромисс для их требований.

Одним из существенных преимуществ LM324 является его цена. Достаточно часто вам просто нужен операционный усилитель без очень строгих требований. Если произведение коэффициента усиления на полосу пропускания 1 МГц, ток смещения и смещение в несколько мВ достаточно хороши, то все остальное — просто дорогой хлам.

В общем, немного проще снизить напряжение смещения до нескольких мВ с биполярами для той же площади кристалла. Есть также преимущества в возможностях привода по току и диапазоне напряжений питания. Полевые транзисторы, конечно, имеют действительно высокое входное сопротивление. В настоящее время эти различия более размыты. Вы можете получить входные операционные усилители на полевых транзисторах с напряжением смещения значительно ниже мВ, но затем сравните их цену с LM324.

Ранние операционные усилители на полевых транзисторах, такие как TL07x и TL08x, имели другие проблемы, такие как очень высокий запас входного синфазного сигнала на обоих концах. В настоящее время операционные усилители на полевых транзисторах легче изготовить как для входа, так и для выхода, но опять же сравните цену даже самого дешевого MCPxxxx со старым резервным LM324. Также обратите внимание на диапазон напряжения питания, в котором может работать LM324. Это сложная задача для большинства современных операционных усилителей на полевых транзисторах.

Все является компромиссом.

МОП-транзисторы слишком шумные для многих прецизионных усилителей. Если у вас есть источник с низким импедансом, для наименьшего шума любого доступного монолитного усилителя вам необходимо использовать биполярный усилитель, такой как LT1028 , который имеет спектральную плотность белого шума 1,1 нВ/кв.м (Гц). (Если этого недостаточно, лучше использовать дискретную конструкцию).

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

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

Усилители на полевых МОП-транзисторах также редко способны работать с более высокими напряжениями питания, такими как +/-15 В (еще одно частое требование к прецизионным приборам), а если и так, то они, как правило, обходятся в кругленькую сумму, я думаю, это в основном потому, что они имеют производиться на специальной высоковольтной технологической линии CMOS и не смешиваться с цифровыми материалами.

Боинг 741 был разработан в середине 1960-х, то есть почти 50 лет назад. Это было некоторым улучшением по сравнению с даже более ранними операционными усилителями (такими как uA709), но это довольно долго. Двойные версии, такие как почтенный JRC 4558, десятилетиями использовались в аудиоприложениях. Как указывает Олин, LM324 аналогичен (выходной каскад имеет существенные отличия, отчасти для того, чтобы сделать его «однополярным»), но стоит всего один или два цента за усилитель в количестве.

Кроме LM324, я не думаю, что какой-либо другой операционный усилитель получил такое же широкое распространение, как 741 (возможно, некоторые из усилителей на полевых транзисторах приближаются к этому) — рынок более разрозненный, с множеством различных вариантов для разработчиков, каждый из которых имеет свои особенности. свои преимущества и недостатки. Да здравствует разница!

Стоит отметить, что принципиально крутизна биполярного транзистора намного выше, чем у полевого МОП-транзистора. то есть ток зависит от экспоненциального приложенного напряжения в случае BJT, тогда как он зависит только от квадрата напряжения для MOSFET.

В идеале все системы должны быть смесью BJT и MOS, но мир устроен иначе. Так что для дискретных систем BJT является королем. Для интегрированных систем на кристалле MOS является королем.

На этот вопрос отвечали несколько раз, но я чувствую, что следует упомянуть входные каскады JFET. В некоторых операционных усилителях (например, TL074 или LF357) используется смесь JFET и BJT для достижения в некоторых отношениях лучших характеристик, чем в биполярной конструкции. (JFET предпочтительнее MOSFET из-за их большей устойчивости, когда речь идет о кратковременных перегрузках и статических разрядах.)

Эти операционные усилители обычно используют JFET для входного каскада дифференциального усилителя, при этом большая часть остальной схемы является биполярной по причинам, которые другие указали в своих ответах. Преимущество использования полевых транзисторов для входного каскада именно то, что вы говорите: они имеют гораздо более высокий входной импеданс. Если вы посмотрите на характеристики различных операционных усилителей с JFET-входом, вы увидите те, у которых входной ток смещения составляет менее десяти пикоампер, а если вы посмотрите, например, на AD549L, у него входное смещение не превышает 60 пикоампер. фемтоампер. Стандартные биполярные операционные усилители, для сравнения, обычно имеют входные токи смещения порядка нескольких наноампер (как в OP07E), в некоторых случаях до микроампер или двух (как в знаменитом LM741). Точно так же и по тем же причинам входное сопротивление операционного усилителя с JFET-входом будет на пять или шесть порядков больше, чем у биполярного операционного усилителя.

Однако есть компромисс. Входные операционные усилители с полевым транзистором обычно имеют значительно больший шум входного напряжения. Упомянутый выше биполярный OP07E имеет низкочастотный шум менее 0,6 микровольт от пика к пику и плотность высокочастотного шума порядка десяти нановольт на корень герца, в то время как AD549 с его почти невозможно низким входным смещением имеет низкочастотный шум. частотный шум до 6 микровольт от пика до пика и плотность высокочастотного шума до 90 нановольт на корень герца (хотя она падает примерно до 35 нВ / √ Гц выше 1 кГц).

Как и во всем в жизни, нет панацеи, которая решит все ваши проблемы, нет операционного усилителя, в котором вы можете быть уверены, что он удовлетворит ваши потребности, какими бы они ни были. Если вам нужен сверхнизкий ток смещения или очень высокое входное сопротивление, используйте операционный усилитель с JFET-входом. 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, что ж, поищите что-то более экзотическое. Скорее всего, вы найдете его где-то там.