¿Por qué un op-amp usaría BJT sobre MOSFET?

El 741 es una vieja pieza de chatarra, utilizada principalmente para enseñar electrónica básica a bajo costo. Me parece recordar haber leído en alguna parte que si se recolectaran todos los 741 hechos, habría suficiente para dar a cada persona en la tierra 6 u 8 de ellos.

Los amplificadores operacionales modernos se dividen en varias categorías.

1. Propósito general: estos amplificadores operacionales no son muy rápidos, tienen malas características no ideales (corrientes de polarización en los nanoamperios), deriva, tienen impedancias de entrada en los megaohms y casi no cuestan nada. El 741 cae en esta categoría.

2. Entradas FET: estas son un poco más rápidas, tienen características no ideales significativamente mejores (corrientes de polarización en las picoamps), derivan muy poco, tienen impedancias de entrada extremadamente altas (gigaohms), pero pueden costar unos pocos dólares.

3. Los amplificadores operacionales CMOS - CMOS son lentos, pero tienen excelentes características no ideales (corrientes de polarización en el FEMTOamps), impedancia de entrada extremadamente alta (TERAohms), deriva tanto como los amplificadores operacionales de uso general, y puede costar unos cuantos dolares Este es el tipo de amplificador operacional que puede obtener su salida dentro de milivoltios de los rieles, pero el voltaje del riel es limitado.

4. Chopper Stabilized: esta es otra forma del amplificador operacional CMOS. Se desplaza muy poco, y tiene compensaciones muy bajas. Echa un vistazo a este artículo para obtener más información

Hay otros amplificadores operacionales que pueden manejar frecuencias de RF o corrientes de salida alta, pero realmente no caen en estas categorías.

Como puede ver, cada tipo de amplificador operacional tiene diferentes características de CC no ideales y una impedancia de entrada. La cantidad de corriente que fluye hacia las entradas del amplificador operacional depende de la impedancia de entrada. Para la mayoría de los amplificadores operacionales modernos, estas son corrientes muy pequeñas, y pueden considerarse despreciables para la mayoría de las aplicaciones. El tipo de amplificador operacional que utilice es una consideración de diseño, teniendo en cuenta la velocidad, el costo, el rango de temperatura y cualquier inquietud de precisión.

Las cámaras bipolares como la 741 o la LM324 tienen diferentes ventajas y desventajas que las FET. Por un lado, se diseñaron hace muchos años cuando la tecnología FET IC estaba menos avanzada en relación con la tecnología bipolar de IC. Es injusto llamar a la chatarra 741; Fue algo maravilloso en su tiempo. Su derivado cercano, el LM324, todavía se encuentra en producción en volumen hoy en día, por lo que, obviamente, muchas personas piensan que es la compensación adecuada para sus requisitos.

Una ventaja significativa del LM324 es su precio. A menudo, solo necesitas un opamp sin requisitos muy estrictos. Si el producto de ancho de banda de ganancia × 1 MHz, la corriente de polarización y los pocos mV de compensación son todos lo suficientemente buenos, todo lo demás es simplemente basura cara.

En general, es un poco más fácil reducir el voltaje de compensación a unos pocos mV con bipolares para la misma área de chip. También hay ventajas en la capacidad de la unidad de corriente y el rango de tensión de alimentación. Los FET, por supuesto, tienen una impedancia de entrada realmente alta. Hoy en día estas distinciones son más borrosas. Puede obtener opamps de entrada FET con voltajes de compensación muy por debajo de mV, pero luego comparar su precio con el LM324.

Las primeras operaciones de FET, como el TL07x y el TL08x, tuvieron otros problemas, como el margen de entrada de modo común muy alto en ambos extremos. Hoy en día, los opamps FET son más fáciles de hacer riel a riel para entrada y salida, pero nuevamente comparan el precio de incluso el MCPxxxx más barato con el antiguo LM324 de reserva. También tenga en cuenta el rango de tensión de alimentación en el que el LM324 puede operar. Es un truco difícil para la mayoría de las operaciones de FET de hoy.

Todo es una compensación.

Los MOSFET son demasiado ruidosos para muchas aplicaciones de amplificadores de precisión. Si tiene una fuente de baja impedancia, para el ruido más bajo de cualquier amplificador monolítico disponible, debe ir a un amplificador bipolar como el LT1028 que tiene una densidad espectral de ruido blanco de 1.1nV / sqrt (Hz). (Si eso no es lo suficientemente bueno, un diseño discreto puede hacerlo mejor).

Contraste eso con un amplificador de entrada MOSFET típico como el MCP601, que generalmente es de 29 nV / sqrt (Hz), o aproximadamente 700 veces peor en términos de potencia.

Si está realizando el procesamiento de audio de audiófilos, el mejor amplificador del mundo es una parte bipolar de Texas Instruments (nee Burr-Brown). Tiene mucha corriente de polarización de entrada, pero muy poca distorsión.

Los amplificadores MOSFET también rara vez son capaces de trabajar con voltajes de alimentación más altos, como +/- 15V (otro requisito frecuente de instrumentación de precisión), y si lo son, tienden a costar un brazo y una pierna, creo que eso es principalmente porque tienen que hacerse en una línea de proceso CMOS de alto voltaje especial y no mezclarse con material digital.

El 741 se diseñó a mediados de la década de 1960, hace casi 50 años. Fue algo así como una mejora con respecto a los anteriores amplificadores operacionales (como el uA709), pero es bastante largo en el diente. Las versiones duales, como el venerable JRC 4558, se han utilizado en aplicaciones de audio durante décadas. Como señala Olin, el LM324 es similar (la etapa de salida tiene diferencias significativas, en parte para convertirlo en "suministro único"), pero solo cuesta un centavo o dos por amplificador en cantidad.

Aparte del LM324, no creo que ningún otro op-amp haya logrado un uso tan amplio como el 741 (tal vez algunos de los amplificadores JFET estén cerca): el mercado está más balcanizado, con muchas opciones diferentes para el diseñador , cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Vive la différence!

Vale la pena señalar que, fundamentalmente, la transconductancia de un BJT es mucho mayor que para un MOSFET. es decir, la corriente varía con el exponencial del voltaje aplicado en el caso de un BJT, mientras que solo varía con el cuadrado del voltaje para un MOSFET.

Idealmente, todos los sistemas serían una mezcla de BJT y MOS, pero no es así como funciona el mundo. Así que para sistemas discretos, BJT es el rey. Para sistemas integrados en un chip MOS es el rey.

Esta pregunta ha sido respondida varias veces, pero creo que debería mencionarse las etapas de entrada de JFET. Algunos amplificadores operacionales (por ejemplo, el TL074 o el LF357) utilizan una mezcla de JFET y BJT para lograr mejores características en algunos aspectos que un diseño solo bipolar. (Se prefieren los JFET sobre los MOSFET debido a su mayor resistencia cuando se trata de breves sobrecargas y descargas estáticas).

Estos amplificadores operacionales normalmente usan JFET para la etapa del amplificador diferencial de entrada, y la mayor parte del resto del circuito es bipolar por las razones que otros han dado en sus respuestas. La ventaja de usar FET para la etapa de entrada es exactamente como usted dice: tienen una impedancia de entrada mucho mayor. Si observa las especificaciones de varios amplificadores operacionales de entrada JFET, verá aquellos con corrientes de polarización de entrada de menos de diez picoamperios, y si observa el AD549L, por ejemplo, tiene una polarización de entrada de no más de 60 femtoamperes . Los amplificadores operacionales bipolares estándar, para comparación, suelen tener corrientes de polarización de entrada del orden de unos pocos nanoamperios (como en el OP07E), hasta un microamperido o dos en algunos casos (como en el famoso LM741). Del mismo modo, y por las mismas razones, la impedancia de entrada de un amplificador operacional de entrada JFET será cinco o seis órdenes de magnitud mayor que la de un amplificador operacional bipolar.

Sin embargo, hay una compensación. Los amplificadores operacionales de entrada JFET tienden a tener un ruido de voltaje de entrada significativamente mayor. El OP07E bipolar mencionado anteriormente tiene un ruido de baja frecuencia de menos de 0,6 microvoltios de densidad pico a pico y de alta frecuencia del orden de diez nanovoltios por hertz raíz, mientras que el AD549 con su sesgo de entrada casi increíblemente bajo tiene una baja ruido de frecuencia de hasta 6 microvoltios y densidad de ruido de alta frecuencia de hasta 90 nanovoltios por hertz de raíz (aunque se reduce a aproximadamente 35 nV / √Hz por encima de 1 kHz).

Como con todo en la vida, no hay una panacea que resuelva todos sus problemas, no hay un amplificador operacional del que pueda estar seguro de que satisfará sus necesidades, independientemente de cuáles sean. Si necesita una corriente de polarización ultra baja o una impedancia de entrada muy alta, vaya con un amplificador operacional de entrada JFET. Si necesita poco ruido o bajo costo, vaya con un amplificador operacional bipolar. Si necesita algo que ninguno de los dos puede proporcionar, bueno, busque algo más exótico. Es probable que lo encuentres en algún lugar allá afuera.