Warum sollte ein Operationsverstärker BJTs anstelle von MOSFETs verwenden?

Mir wurde immer gesagt, dass Operationsverstärker im Idealfall eine unendliche Eingangsimpedanz haben. Als ich mir das Transistor-Level-Schema des LM741 ansah, war ich verwirrt, als sie BJTs anstelle von MOSFETs verwendeten.

Würde die Verwendung eines BJT nicht dazu führen, dass Strom in die Eingangspins fließt?

Der 741 ist ein altes Stück Müll, das hauptsächlich zum Unterrichten von billiger Grundelektronik verwendet wird. Ich erinnere mich, dass ich irgendwo gelesen habe, dass, wenn jeder 741 jemals gesammelt würde, es genug gäbe, um jedem Menschen auf Erden 6 oder 8 davon zu geben.

Moderne Operationsverstärker fallen in mehrere Kategorien.

1. Allgemeiner Zweck - Diese Operationsverstärker sind nicht sehr schnell, haben schlechte, nicht ideale Eigenschaften (Vorspannungsströme in den Nanoampere), driften, haben Eingangsimpedanzen in den Megaohm und kosten fast nichts. Der 741 fällt in diese Kategorie.

2. FET-Eingänge - Diese sind etwas schneller, haben deutlich bessere, nicht ideale Eigenschaften (Vorspannungsströme in den Picoampere), driften sehr wenig, haben extrem hohe Eingangsimpedanzen (Gigaohm), können aber ein paar Dollar kosten.

3. CMOS - CMOS-Operationsverstärker sind langsam, haben jedoch hervorragende nicht ideale Eigenschaften (Vorspannungsströme in den FEMTO-Verstärkern), eine extrem hohe Eingangsimpedanz (TERAohms), driften ungefähr so ​​weit wie Allzweck-Operationsverstärker und kosten möglicherweise ein paar Dollar. Dies ist der Typ eines Operationsverstärkers, der seine Ausgabe innerhalb von Millivolt der Schienen erreichen kann, aber die Schienenspannung ist begrenzt.

4. Chopper Stabilized - Dies ist eine andere Form des CMOS-Operationsverstärkers. Es driftet sehr wenig und hat sehr geringe Offsets. In diesem Artikel finden Sie weitere Informationen

Es gibt andere Operationsverstärker, die HF-Frequenzen oder hohe Ausgangsströme verarbeiten können, aber sie fallen nicht wirklich in diese Kategorien.

Wie Sie sehen können, weist jeder Operationsverstärkertyp unterschiedliche, nicht ideale Gleichstromcharakteristiken und Eingangsimpedanzen auf. Wie viel Strom in die Eingänge des Operationsverstärkers fließt, hängt von der Eingangsimpedanz ab. Bei den meisten modernen Operationsverstärkern handelt es sich um sehr kleine Ströme, die für die meisten Anwendungen als vernachlässigbar angesehen werden können. Welche Art von Operationsverstärker Sie verwenden, hängt vom Design, der Geschwindigkeit, den Kosten, dem Temperaturbereich und eventuellen Präzisionsproblemen ab.

Bipolare Operationsverstärker wie der 741 oder der LM324 haben andere Nachteile als FET-Operationsverstärker. Zum einen wurden sie vor vielen Jahren entwickelt, als die FET-IC-Technologie im Vergleich zur bipolaren IC-Technologie weniger fortgeschritten war. Es ist unfair, die 741-Dschunke anzurufen. Es war etwas Wunderbares in seiner Zeit. Das LM324, ein naheliegendes Derivat, befindet sich noch heute in der Serienproduktion, so dass offensichtlich viele Leute der Meinung sind, es sei der richtige Kompromiss für ihre Anforderungen.

Ein wesentlicher Vorteil des LM324 ist sein Preis. Oft genug braucht man nur einen Opamp ohne sehr strenge Anforderungen. Wenn das Produkt mit 1 MHz Verstärkung × Bandbreite, der Vorstrom und die wenigen mV Offset gut genug sind, dann ist alles andere nur teurer Müll.

Im Allgemeinen ist es mit Bipolaren bei gleicher Chipfläche etwas einfacher, die Offset-Spannung auf einige mV zu senken. Es gibt auch Vorteile hinsichtlich der Stromtreiberfähigkeit und des Versorgungsspannungsbereichs. FETs haben natürlich die wirklich hohe Eingangsimpedanz. Heutzutage verschwimmen diese Unterscheidungen mehr. Sie können FET-Eingangsverstärker mit Offset-Spannungen weit unter einem mV erhalten, aber dann deren Preis mit dem LM324 vergleichen.

Frühe FET-Operationsverstärker, wie der TL07x und der TL08x, hatten andere Probleme, wie einen sehr hohen Gleichtaktbereich an beiden Enden. Heutzutage ist es mit FET-Operationsverstärkern einfacher, Rail-to-Rail-Verbindungen sowohl für den Ein- als auch für den Ausgang herzustellen, aber Sie können auch den Preis des günstigsten MCPxxxx mit dem alten Standby-LM324 vergleichen. Beachten Sie auch den Versorgungsspannungsbereich, über den der LM324 betrieben werden kann. Das ist ein harter Trick für die meisten heutigen FET-Opamps.

Alles ist ein Kompromiss.

MOSFETs sind für viele Präzisionsverstärkeranwendungen zu rauschbehaftet. Wenn Sie eine niederohmige Quelle haben, müssen Sie für das niedrigste Rauschen eines verfügbaren monolithischen Verstärkers einen bipolaren Verstärker wie den LT1028 mit einer Spektraldichte für weißes Rauschen von 1,1 nV / sqrt (Hz) verwenden. (Wenn das nicht gut genug ist, kann ein diskretes Design besser sein).

Vergleichen Sie dies mit einem typischen MOSFET-Eingangsverstärker wie dem MCP601, der typischerweise 29 nV / sqrt (Hz) oder etwa 700-mal schlechter in Bezug auf die Leistung ist.

Wenn Sie audiophile Audioverarbeitung betreiben, ist der beste Verstärker der Welt ein bipolarer Teil von Texas Instruments (geborene Burr-Brown). Es hat viel Eingangsvorspannungsstrom, aber sehr wenig Verzerrung.

MOSFET-Verstärker sind auch selten in der Lage, mit höheren Versorgungsspannungen wie +/- 15 V (eine weitere häufige Anforderung für Präzisionsinstrumente) zu arbeiten, und wenn dies der Fall ist, kosten sie in der Regel einen Arm und ein Bein auf einer speziellen Hochspannungs-CMOS-Prozesslinie hergestellt und nicht mit digitalen Materialien gemischt werden.

Der 741 wurde Mitte der 1960er Jahre entworfen, also vor fast 50 Jahren. Es war eine gewisse Verbesserung gegenüber früheren Operationsverstärkern (wie dem uA709), aber es ist ziemlich lang im Zahn. Doppelversionen wie die ehrwürdige JRC 4558 werden seit Jahrzehnten in Audioanwendungen eingesetzt. Wie Olin betont, ist der LM324 ähnlich (die Ausgangsstufe weist erhebliche Unterschiede auf, um ihn teilweise als "Einzelversorgung" zu bezeichnen), kostet jedoch nur ein oder zwei Cent pro Verstärker in der Menge.

Abgesehen vom LM324 hat meines Erachtens kein anderer Operationsverstärker eine so breite Anwendung erreicht wie der 741 (vielleicht kommen einige der JFET-Verstärker näher) seine eigenen Vor- und Nachteile. Vive la différence!

Es sei darauf hingewiesen, dass die Transkonduktanz eines BJT grundsätzlich viel höher ist als bei einem MOSFET. dh der Strom ändert sich im Fall eines BJT mit dem Exponential der angelegten Spannung, während er sich nur mit dem Quadrat der Spannung für einen MOSFET ändert.

Idealerweise wären alle Systeme eine Mischung aus BJT und MOS, aber so funktioniert die Welt nicht. Für diskrete Systeme ist BJT also König. Für integrierte Systeme auf einem Chip ist MOS König.

Diese Frage wurde mehrmals beantwortet, aber ich bin der Meinung, dass JFET-Eingangsstufen erwähnt werden sollten. Einige Operationsverstärker (zum Beispiel der TL074 oder der LF357) verwenden eine Mischung aus JFETs und BJTs, um in mancher Hinsicht bessere Eigenschaften zu erzielen als ein Nur-Bipolar-Design. (JFETs werden gegenüber MOSFETs wegen ihrer höheren Belastbarkeit bei kurzzeitiger Überlastung und statischer Entladung bevorzugt.)

Diese Operationsverstärker verwenden typischerweise JFETs für die Eingangs-Differenzverstärkerstufe, wobei der größte Teil der Schaltung aus den von anderen in ihren Antworten angegebenen Gründen bipolar ist. Der Vorteil der Verwendung von FETs für die Eingangsstufe ist genau wie Sie sagen: Sie haben eine viel höhere Eingangsimpedanz. Wenn Sie sich die Spezifikationen verschiedener JFET-Eingangsverstärker ansehen, werden Sie solche mit Eingangsvorspannungsströmen von weniger als zehn Picoampere sehen - und wenn Sie sich zum Beispiel den AD549L ansehen, hat er eine Eingangsvorspannung von nicht mehr als 60 Femtoamperes. Bipolare Standard-Operationsverstärker haben zum Vergleich typischerweise Eingangsvorspannungsströme in der Größenordnung einiger Nanoampere (wie im OP07E), in einigen Fällen bis zu ein oder zwei Mikroampere (wie im berühmten LM741). Ebenso und aus den gleichen Gründen ist die Eingangsimpedanz eines JFET-Eingangs-Operationsverstärkers fünf oder sechs Größenordnungen größer als die eines bipolaren Operationsverstärkers.

Es gibt jedoch einen Kompromiss. JFET-Eingangsverstärker neigen dazu, ein wesentlich höheres Eingangsspannungsrauschen zu haben. Das oben erwähnte bipolare OP07E hat ein niederfrequentes Rauschen von weniger als 0,6 Mikrovolt von Spitze zu Spitze und eine hochfrequente Rauschdichte in der Größenordnung von zehn Nanovolt pro Wurzel-Hertz, während das AD549 mit seiner nahezu unmöglich niedrigen Eingangsvorspannung ein niederfrequentes Rauschen von weniger als 0,6 Mikrovolt aufweist. Frequenzrauschen von bis zu 6 Mikrovolt Spitze-Spitze und hochfrequente Rauschdichte von bis zu 90 Nanovolt pro Wurzel-Hertz (obwohl es über 1 kHz auf etwa 35 nV / √Hz abfällt).

Wie bei allem im Leben gibt es kein Allheilmittel, das all Ihre Probleme löst. Es gibt keinen Operationsverstärker, bei dem Sie sicher sein können, dass er Ihre Anforderungen erfüllt, unabhängig davon, um was es sich handelt. Wenn Sie einen extrem niedrigen Vorspannungsstrom oder eine sehr hohe Eingangsimpedanz benötigen, verwenden Sie einen Operationsverstärker mit JFET-Eingang. Wenn Sie geringes Rauschen oder niedrige Kosten benötigen, sollten Sie einen bipolaren Operationsverstärker verwenden. Wenn Sie etwas brauchen, das keiner von beiden liefern kann, schauen Sie sich etwas Exotischeres an. Die Chancen stehen gut, dass du es irgendwo da draußen findest.