¿Por qué un amplificador operacional usaría BJTs sobre MOSFETs?

Siempre me han dicho que, idealmente, los amplificadores operacionales tienen una impedancia de entrada infinita. Entonces, cuando estaba mirando el esquema de nivel de transistor del LM741, estaba confundido cuando usaban BJT en lugar de MOSFET.

¿El uso de un BJT no provocaría que la corriente fluya hacia los pines de entrada?

El 741 es una vieja pieza de basura, utilizada principalmente para enseñar electrónica básica a bajo precio. Me parece recordar haber leído en alguna parte que si se recolectaran todos los 741 que se hicieran, habría suficiente para darle 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 megaohmios y no cuestan casi nada. El 741 cae en esta categoría.

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

3. CMOS: los amplificadores operacionales CMOS son lentos, pero tienen excelentes características no ideales (corrientes de polarización en los amplificadores FEMTO), impedancia de entrada extremadamente alta (TERAohms), derivan casi tanto como los amplificadores operacionales de propósito general y pueden costar unos pocos dólares. 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.

Existen otros amplificadores operacionales que pueden manejar frecuencias de RF o manejar corrientes de salida altas, pero en realidad no entran en estas categorías.

Como puede ver, cada tipo de amplificador operacional tiene diferentes características de CC no ideales e 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 insignificantes 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 preocupación de precisión.

Los opamps bipolares como el 741 o el LM324 tienen diferentes compensaciones que los opamps FET. Por un lado, fueron diseñados hace muchos años cuando la tecnología FET IC era menos avanzada en comparación con la tecnología bipolar IC. Es injusto llamar a la basura 741; fue algo maravilloso en su tiempo. Su derivado cercano, el LM324, todavía está 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 necesita un opamp sin requisitos muy estrictos. Si el producto de 1 MHz de ganancia × ancho de banda, la corriente de polarización y los pocos mV de compensación son lo suficientemente buenos, entonces todo lo demás es basura costosa.

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 conducción actual y el rango de voltaje de suministro. 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 un mV, pero luego compare su precio con el LM324.

Los opamps FET tempranos, como el TL07x y el TL08x, tenían otros problemas, como un margen de entrada de rango común en modo común de entrada muy alta en ambos extremos. Hoy en día, los opamps FET son más fáciles de hacer riel a riel tanto para entrada como para salida, pero nuevamente comparen el precio incluso del MCPxxxx más barato con el antiguo LM324 en espera. También tenga en cuenta el rango de voltaje de alimentación sobre el cual el LM324 puede operar. Ese es un truco difícil para la mayoría de los opamps 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).

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

Si está haciendo un procesamiento de audio audiófilo, 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 suministro 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 se debe principalmente a que tienen para ser hecho en una línea especial de proceso CMOS de alto voltaje y no mezclado con material digital.

El 741 fue diseñado a mediados de la década de 1960, hace casi 50 años. Fue algo así como una mejora con respecto a los amplificadores operacionales incluso anteriores (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 que sea "fuente única"), pero cuesta solo un centavo o dos por amplificador en cantidad.

Aparte del LM324, no creo que ningún otro amplificador operacional haya logrado un uso tan amplio como el 741 (tal vez algunos de los amplificadores JFET se acerquen): el mercado está más balcanizado, con muchas opciones diferentes para el diseñador, cada uno con Sus propias ventajas y desventajas. Vive la diferencia!

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. Entonces, 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 siento que debería mencionarse las etapas de entrada de JFET. Algunos amplificadores operacionales (por ejemplo, el TL074 o el LF357) usan una mezcla de JFET y BJT para lograr mejores características en algunos aspectos que un diseño solo bipolar. (Se prefieren los JFET a los MOSFET debido a su mayor resistencia cuando se trata de sobrecargas breves y descargas estáticas).

Estos amplificadores operacionales suelen utilizar JFET para la etapa de amplificador diferencial de entrada, siendo la mayoría del resto del circuito 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 unos 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, en comparación, suelen tener corrientes de polarización de entrada del orden de unos pocos nanoamperios (como en el OP07E), hasta uno o dos microamperios 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 pico a pico y una densidad de ruido de alta frecuencia del orden de diez nanovoltios por hertz raíz, mientras que el AD549 con su polarización de entrada casi imposible tiene un bajo ruido de frecuencia de hasta 6 microvoltios pico a pico y densidad de ruido de alta frecuencia de hasta 90 nanovoltios por hertz raíz (aunque cae a aproximadamente 35 nV / √Hz por encima de 1 kHz).

Al igual que con todo en la vida, no hay una panacea que resuelva todos sus problemas, no hay un amplificador operacional 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, elija un amplificador operacional bipolar. Si necesita algo que ninguno de esos puede suministrar, bueno, busque algo más exótico. Lo más probable es que lo encuentres en algún lugar por ahí.