Mengapa op-amp menggunakan BJT di atas MOSFET?

Saya selalu diberitahu bahwa idealnya, op-amp memiliki impedansi input yang tak terbatas. Jadi ketika saya melihat skema level transistor LM741, saya bingung ketika mereka menggunakan BJTs daripada MOSFET.

Bukankah menggunakan BJT akan menghasilkan arus yang mengalir ke pin input?

The 741 adalah sepotong sampah tua, terutama digunakan untuk mengajarkan elektronik dasar dengan harga murah. Saya ingat pernah membaca di suatu tempat bahwa jika setiap 741 yang pernah dibuat harus dikumpulkan, akan ada cukup untuk memberi setiap orang di bumi 6 atau 8 dari mereka.

Op amp modern terbagi dalam beberapa kategori.

1. Tujuan Umum - Op amp ini tidak terlalu cepat, memiliki karakteristik tidak ideal yang buruk (arus bias dalam nanoamps), melayang, memiliki impedansi input dalam megaohm, dan hampir tidak memerlukan biaya apa pun. 741 termasuk dalam kategori ini.

2. Input FET - Ini sedikit lebih cepat, memiliki karakteristik non-ideal yang jauh lebih baik (arus bias dalam picoamps), melayang sangat sedikit, memiliki impedansi input yang sangat tinggi (gigaohms), tetapi mungkin berharga beberapa dolar.

3. CMOS - op amp CMOS lambat, tetapi memiliki karakteristik non-ideal yang sangat baik (arus bias dalam FEMTOamps), impedansi input sangat tinggi (TERAohms), melayang sekitar op op keperluan umum, dan mungkin berharga beberapa dolar. Ini adalah jenis op amp yang bisa mendapatkan output dalam milivolt rel, tetapi tegangan rel terbatas.

4. Chopper Stabilized - Ini adalah bentuk lain dari op CMOS. Hanyut sangat sedikit, dan memiliki offset yang sangat rendah. Lihatlah artikel ini untuk informasi lebih lanjut

Ada op amp lain di luar sana yang dapat menangani frekuensi RF, atau menangani arus output tinggi, tetapi mereka tidak benar-benar jatuh dalam ini.

Seperti yang Anda lihat, setiap jenis op amp memiliki karakteristik DC tidak ideal yang berbeda, dan impedansi input. Berapa banyak arus yang mengalir ke input op amp tergantung pada impedansi input. Untuk kebanyakan op amp modern, ini adalah arus yang sangat kecil, dan dapat dianggap diabaikan untuk sebagian besar aplikasi. Jenis op amp yang Anda gunakan adalah pertimbangan desain, dengan mempertimbangkan kecepatan, biaya, kisaran suhu, dan masalah presisi apa pun.

Opamp bipolar seperti 741 atau LM324 memiliki tradeoff yang berbeda dari opamp FET. Untuk satu hal, mereka dirancang bertahun-tahun yang lalu ketika teknologi FET IC relatif kurang maju dibandingkan dengan teknologi IC bipolar. Tidak adil menyebut sampah 741; itu adalah sesuatu yang luar biasa pada masanya. Turunan terdekatnya, LM324, masih dalam volume produksi hari ini, jadi jelas banyak orang berpikir itu adalah tradeoff yang tepat untuk kebutuhan mereka.

Satu keuntungan signifikan dari LM324 adalah harganya. Cukup sering Anda hanya perlu opamp tanpa persyaratan yang sangat ketat. Jika 1 MHz mendapatkan × produk bandwidth, arus bias, dan beberapa mV offset semuanya cukup baik, maka yang lainnya hanyalah sampah mahal.

Secara umum, ini sedikit lebih mudah untuk mendapatkan tegangan offset turun ke beberapa mV dengan bipolar untuk area chip yang sama. Ada juga keuntungan dalam kemampuan drive saat ini dan kisaran tegangan suplai. FET tentu saja memiliki impedansi input yang sangat tinggi. Saat ini perbedaan-perbedaan ini lebih kabur. Anda bisa mendapatkan opamp input FET dengan voltase offset jauh di bawah mV, tetapi kemudian bandingkan harganya dengan LM324.

Awal FET opamps, seperti TL07x dan TL08x memiliki masalah lain, seperti ruang kepala rentang mode input yang sangat tinggi di kedua ujungnya. Saat ini, opamp FET lebih mudah untuk membuat rel ke rel untuk input dan output, tetapi sekali lagi membandingkan harga bahkan MCPxxxx termurah dengan LM324 siaga lama. Perhatikan juga kisaran tegangan suplai yang dapat dioperasikan oleh LM324. Itu trik yang sulit untuk sebagian besar opamp FET hari ini.

Semuanya adalah tradeoff.

MOSFET terlalu berisik untuk banyak aplikasi penguat presisi. Jika Anda memiliki sumber impedansi rendah, untuk kebisingan terendah dari penguat monolitik yang tersedia, Anda harus pergi ke penguat bipolar seperti LT1028 yang memiliki kepadatan spektral noise putih 1.1nV / sqrt (Hz). (Jika itu tidak cukup baik, desain diskrit dapat melakukan lebih baik).

Bandingkan dengan penguat input MOSFET seperti MCP601, yang biasanya 29nV / sqrt (Hz), atau sekitar 700 kali lebih buruk dalam hal daya.

Jika Anda melakukan pemrosesan audio audiophile, penguat terbaik di dunia adalah bagian bipolar Texas Instruments (nee Burr-Brown). Ini memiliki banyak masukan arus bias, tetapi sangat sedikit distorsi.

Amplifier MOSFET juga jarang mampu bekerja dengan tegangan suplai yang lebih tinggi, seperti +/- 15V (persyaratan lain yang sering dari instrumentasi presisi), dan jika ya, mereka cenderung membebani lengan dan kaki, saya pikir itu sebagian besar karena mereka memiliki harus dibuat pada jalur proses CMOS tegangan tinggi khusus dan tidak dicampur dengan barang-barang digital.

741 dirancang pada pertengahan 1960-an, jadi hampir 50 tahun yang lalu. Itu agak peningkatan dibandingkan op-amp sebelumnya (seperti UA709), tapi itu cukup panjang di gigi. Versi ganda seperti Yang Mulia JRC 4558 telah digunakan dalam aplikasi audio selama beberapa dekade. Seperti yang ditunjukkan Olin, LM324 serupa (tahap output memiliki perbedaan signifikan, sebagian untuk membuatnya "pasokan tunggal"), tetapi biaya hanya satu atau dua sen per amplifier dalam jumlah.

Selain dari LM324, saya tidak berpikir op-amp lain telah mencapai penggunaan seluas 741 (mungkin beberapa amplifier JFET mendekati) - pasar lebih balkan, dengan banyak pilihan berbeda untuk perancang, masing-masing dengan kelebihan dan kekurangannya sendiri. Vive la différence!

Perlu menunjukkan bahwa pada dasarnya transkonduktansi BJT jauh lebih tinggi daripada untuk MOSFET. yaitu arus bervariasi dengan eksponensial dari tegangan yang diberikan dalam kasus BJT, sedangkan itu hanya bervariasi dengan kuadrat tegangan untuk MOSFET.

Idealnya semua sistem akan menjadi campuran dari BJT dan MOS, tetapi bukan itu cara dunia bekerja. Jadi untuk sistem diskrit, BJT adalah raja. Untuk sistem terintegrasi pada chip, MOS adalah raja.

Pertanyaan ini sudah dijawab beberapa kali, tetapi saya merasa perlu menyebutkan tahapan input JFET. Beberapa op amp (misalnya, TL074 atau LF357) menggunakan campuran JFET dan BJT untuk mencapai karakteristik yang lebih baik dalam beberapa hal daripada desain hanya bipolar. (JFET lebih disukai daripada MOSFET karena ketahanannya yang lebih besar dalam hal kelebihan beban singkat dan muatan statis.)

Op amp ini biasanya menggunakan JFET untuk tahap penguat diferensial input, dengan sebagian besar rangkaian lainnya adalah bipolar karena alasan yang diberikan orang lain dalam jawaban mereka. Keuntungan menggunakan FET untuk tahap input persis seperti yang Anda katakan: mereka memiliki impedansi input yang jauh lebih tinggi. Jika Anda melihat spesifikasi berbagai op-input JFET-op Anda akan melihat yang dengan arus bias input kurang dari sepuluh picoamperes - dan jika Anda melihat AD549L, misalnya, ia memiliki bias input tidak lebih dari 60 femtoamperes. Op amp bipolar standar, sebagai perbandingan, biasanya memiliki arus bias input pada urutan beberapa nanoampere (seperti pada OP07E), hingga satu atau dua microampere dalam beberapa kasus (seperti pada LM741 yang terkenal). Demikian juga, dan untuk alasan yang sama, impedansi input op-input JFET akan lebih besar lima atau enam kali lipat dari op amp bipolar.

Tapi ada kompromi. Input op amp JFET cenderung memiliki noise tegangan input yang jauh lebih besar. OP07E bipolar yang disebutkan di atas memiliki noise frekuensi rendah kurang dari 0,6 microvolts peak-to-peak dan kepadatan noise frekuensi tinggi pada urutan sepuluh nanovolt per root hertz, sedangkan AD549 dengan bias input rendah hampir tidak mungkin memiliki low- frekuensi noise hingga 6 microvolts peak-to-peak dan kepadatan frekuensi tinggi sebanyak 90 nanovolt per root hertz (meskipun itu turun hingga sekitar 35 nV / √Hz di atas 1 kHz).

Seperti halnya segala sesuatu dalam hidup, tidak ada obat mujarab yang menyelesaikan semua masalah Anda, tidak ada op amp yang bisa Anda yakini akan memenuhi kebutuhan Anda apa pun masalahnya. Jika Anda membutuhkan arus bias sangat rendah atau impedansi masukan sangat tinggi, gunakan op amp input JFET. Jika Anda membutuhkan noise rendah atau biaya rendah, gunakan op bipolar. Jika Anda membutuhkan sesuatu yang tidak dapat disediakan oleh keduanya, well, lihatlah sesuatu yang lebih eksotis. Kemungkinannya adalah, Anda akan menemukannya di suatu tempat di luar sana.