Bir op-amp neden BJT’leri MOSFET’ler üzerinde kullanır?

Her zaman ideal olarak, op-amplerin sonsuz giriş empedansına sahip oldukları söylendi. Bu yüzden LM741'in transistör seviyeli şemasına bakarken, MOSFET'ler yerine BJT'leri kullandıklarında kafam karışmıştı.

BJT kullanmak, akımın giriş pinlerine akmasına neden olmaz mı?

741, temelde ucuza elektronik öğretmek için kullanılan eski bir hurdadır. Bir yerde okuduğum her 741 toplanacak olsaydı, dünyadaki her insana 6 ya da 8 kişiyi verebilecek kadar şey olduğunu hatırlıyor gibiyim.

Modern op amper birkaç kategoriye ayrılır.

1. Genel Amaç - Bu işlemler çok hızlı değildir, ideal olmayan kötü özelliklere (nanoampalarda yanlı akımlar) sahiptir, kayma, megaohmlarda girdi empedanslarına sahip ve neredeyse hiçbir maliyeti yoktur. 741 bu kategoriye giriyor.

2. FET Girdileri - Bunlar biraz daha hızlı, önemli ölçüde daha iyi ideal olmayan özelliklere sahip (picoamp'lardaki önyargı akımları), çok az sürükleniyor, çok yüksek girdi empedanslarına (gigaohm) sahip, ancak birkaç dolara mal olabilir.

3. CMOS - CMOS op amp'leri yavaştır, ancak mükemmel ideal olmayan özelliklere (FEMTOamps'taki yanlı akımlar), aşırı yüksek giriş empedansına (TERAohms) sahiptir, genel amaçlı op amper kadar sürüklenebilir ve birkaç dolara mal olabilir. Bu, çıktısını rayların milivolt cinsinden alabilen op amp türüdür ancak ray gerilimi sınırlıdır.

4. Kıyıcı Dengeli - Bu, CMOS op amp'in başka bir şeklidir. Çok az sürüklenir ve çok düşük ofsetlere sahiptir. Daha fazla bilgi için bu makaleye göz atın

RF frekanslarını kaldırabilen veya yüksek çıkış akımlarını kaldırabilen başka op amper var, ancak bunlar gerçekten de bu cateringlere düşmüyor.

Gördüğünüz gibi, her op amp türü farklı ideal DC özelliklerine ve giriş empedansına sahiptir. Op amp girişlerine ne kadar akım aktığı giriş empedansına bağlıdır. Çoğu modern op amper için bunlar çok küçük akımlardır ve uygulamaların çoğu için önemsiz sayılabilir. Hangi tip op ampi kullanıyorsanız, tasarımın göz önünde bulundurulması, hızı, maliyeti, sıcaklık aralığını ve hassasiyetle ilgili faktörleri hesaba katmasıdır.

741 veya LM324 gibi bipolar opamp'lar, FET opamp'larından farklı tradeoflasyonlara sahiptir. Birincisi, FET IC teknolojisinin bipolar IC teknolojisine göre daha az gelişmiş olduğu yıllar önce tasarlandılar. 741 hurdalığı aramak haksızlık; zamanında harika bir şeydi. Yakın türevi LM324 bugün hala hacimli üretimdedir, bu yüzden birçok insan kendi gereksinimleri için doğru tradeoff olduğunu düşünüyor.

LM324'ün önemli bir avantajı fiyatıdır. Genellikle, çok katı gereksinimler olmadan bir opampa ihtiyacınız olur. 1 MHz × bant genişliği ürününü kazanırsa, önyargı akımı ve birkaç mV ofset yeterince iyidir, o zaman diğer her şey sadece pahalı önemsizdir.

Genel olarak, aynı talaş alanı için iki kutuplu ofset voltajını birkaç mV'ye düşürmek biraz daha kolaydır. Akım tahrik kabiliyeti ve besleme gerilimi aralığında da avantajlar vardır. Elbette FET'ler gerçekten de yüksek girdi engelsizliğine sahiptir. Günümüzde bu ayrımlar daha bulanık. FET giriş opamp'larını bir mV'nin altındaki ofset voltajlarıyla alabilirsiniz, ancak daha sonra fiyatlarını LM324 ile karşılaştırın.

TL07x ve TL08x gibi erken FET opamp'larının, her iki uçtaki çok yüksek girişli ortak mod aralıklı tavan boşluğu gibi başka sorunları vardı. Günümüzde, FET Opamp'larının hem giriş hem de çıkış için raydan ray yapması daha kolaydır, ancak yine de en ucuz MCPxxxx'in bile eski standby LM324'le olan fiyatlarını karşılaştırın. Ayrıca LM324'ün çalışabileceği besleme voltajı aralığına dikkat edin. Bugünün FET işlemlerinin çoğu için zor bir numara.

Her şey bir tradeoff.

MOSFET'ler birçok hassas amplifikatör uygulaması için çok gürültülüdür. Eğer düşük bir empedans kaynağı varsa, herhangi bir uygun monolitik yükselticinin en düşük gürültü, aşağıdaki gibi iki kutuplu bir amplifikatör gitmek gerekir LT1028 1.1nV / sqrt (Hz) beyaz noyz spektral yoğunluğuna sahiptir. (Bu yeterince iyi değilse, ayrı bir tasarım daha iyisini yapabilir).

MCP601 gibi tipik bir MOSFET giriş amplifikatörüyle, tipik olarak 29nV / sqrt (Hz) veya güç bakımından yaklaşık 700 kat daha kötü olmasıyla kontrast oluşturur.

Eğer odyofil ses işleme yapıyorsanız, dünyanın en iyi amplifikatörü bir Texas Instruments (nee Burr-Brown) bipolar kısımdır. Çok fazla giriş önyargısı akımı var, ancak çok az bozulma var.

MOSFET yükselticileri ayrıca nadiren +/- 15V (hassas enstrümantasyonun sık sık gerekliliği) gibi daha yüksek besleme gerilimleriyle de çalışabilirler ve eğer öyleyse, bir kol ve bacağına mal olma eğilimindeler, bence çoğunlukla Özel bir yüksek voltaj CMOS işlem hattında yapılmalı ve dijital malzemelerle karıştırılmamalıdır.

741, neredeyse 50 yıl önce, 1960'ların ortalarında tasarlanmıştı. Biraz daha önceki op-amp'lerde (UA709 gibi) bile bir iyileşme vardı, ancak diş içinde oldukça uzundu. Saygın JRC 4558 gibi çift versiyonlar, ses uygulamalarında on yıllardır kullanılmaktadır. Olin'in işaret ettiği gibi, LM324 benzerdir (çıkış aşaması, kısmen “tekli arz” yapmak için önemli farklara sahiptir), ancak miktar olarak amplifikatör başına sadece bir kuruş veya iki maliyeti vardır.

LM324'ün dışında, diğer op-amp'lerin 741 kadar geniş bir kullanım elde ettiğini sanmıyorum (belki bazı JFET amplifikatörlerinden bazıları yaklaşıyor) - piyasa, tasarımcı için pek çok farklı seçenekle daha da balkanize olmuş durumda. kendi avantaj ve dezavantajları. Yaşamak laf!

Temel olarak bir BJT'nin geçirgenliğinin bir MOSFET'ten çok daha yüksek olduğuna dikkat çekmek önemlidir. yani akım, bir BJT durumunda uygulanan voltajın üsteli ile değişir, oysa sadece bir MOSFET için voltajın karesiyle değişir.

İdeal olarak, tüm sistemler BJT ve MOS'un bir karışımı olacaktır, ancak dünya bu şekilde çalışmaz. Ayrık sistemler için BJT kraldır. Bir çip üzerindeki entegre sistemler için MOS kraldır.

Bu soru birkaç kez yanıtlandı, ancak JFET'in giriş aşamalarından bahsetmesi gerektiğini düşünüyorum. Bazı op amplifikatörler (örneğin, TL74 veya LF357), bazı açılardan sadece iki kutuplu bir tasarımdan daha iyi özellikler elde etmek için JFET'lerin ve BJT'lerin bir karışımını kullanır. (JFET'ler, MOSFET'lere göre, kısa süreli aşırı yüklenmelere ve statik deşarjlara gelince daha fazla esnek olmaları nedeniyle tercih edilir.)

Bu op-ampler tipik olarak giriş diferansiyel amplifikatör kademesi için JFET'leri kullanır; devrenin geri kalanı, diğerlerinin cevaplarında verdikleri sebeplerden dolayı iki kutupludur. Giriş aşaması için FET'leri kullanmanın avantajı tam olarak söylediğiniz gibidir: giriş empedansları çok daha yüksektir. Çeşitli JFET-giriş op-amp'lerinin özelliklerine bakarsanız, on pikapamperden daha düşük giriş sapma akımları olanları görürsünüz - ve AD549L'ye bakarsanız, örneğin, 60'dan fazla olmayan giriş sapmalarına sahiptir. femtoamperes. Karşılaştırma için standart bipolar op amper, tipik olarak birkaç durumda (OP07E'de olduğu gibi), bazı durumlarda bir mikroampere veya iki durumda (ünlü LM741'de olduğu gibi) bir mikroampere kadar giriş önleme akımlarına sahiptir. Benzer şekilde ve aynı sebeplerden dolayı, bir JFET-giriş op ampinin giriş empedansı, bir bipolar op amp'inkinden beş veya altı büyüklükte olacaktır.

Yine de bir takas var. JFET giriş op amp'leri, giriş voltajı gürültüsünden belirgin şekilde daha yüksek olma eğilimindedir. Yukarıda sözü edilen iki kutuplu OP07E, kök hertz başına on nanovolt sırasına göre düşük mikrosolt tepe tepe-tepe ve yüksek frekanslı gürültü yoğunluğuna sahipken, düşük imkânsız biçimde düşük giriş yanlılığına sahip AD549 Kök hertz başına 90 nanovolt'a kadar en yüksek-zirve ve yüksek-frekans gürültü yoğunluğuna 6 mikrovolta kadar frekans gürültüsü (1 kHz'in üzerinde yaklaşık 35 nV / √Hz'e düşmesine rağmen).

Hayattaki her şeyde olduğu gibi, tüm problemlerinizi çözen derde deva yok, ne olursa olsun ihtiyaçlarınızı karşılayacağından emin olabileceğiniz hiçbir işlem yok. Çok düşük taraflı akım veya çok yüksek giriş empedansına ihtiyacınız varsa, bir JFET-giriş op amp ile gidin. Düşük gürültüye veya düşük maliyete ihtiyacınız varsa, bir bipolar op amp ile gidin. İkisinin de sağlayamayacağı bir şeye ihtiyacınız olursa, daha egzotik bir şeye bakın. Muhtemelen, onu bir yerde bulacaksın.