¿Por qué un amplificador operacional usaría BJT sobre MOSFET?

El 741 es una chatarra vieja, utilizada principalmente para enseñar electrónica básica a bajo precio. Me parece recordar haber leído en alguna parte que si se recolectaran cada 741 que se fabricaran, 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), derivan, tienen impedancias de entrada en los megaohmios y no cuestan casi nada. El 741 entra en esta categoría.

2. Entradas FET: son un poco más rápidas, tienen características no ideales significativamente mejores (corrientes de polarización en los picoamperios), se desvían 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 FEMTOamperios), una impedancia de entrada extremadamente alta (TERAohmios), derivan tanto como los amplificadores operacionales de uso general y pueden costar unos pocos dólares. Este es el tipo de amplificador operacional que puede obtener su salida dentro de los milivoltios de los rieles, pero el voltaje del riel es limitado.

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

Hay otros amplificadores operacionales que pueden manejar frecuencias de RF o manejar altas corrientes de salida, 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 use es una consideración de diseño, teniendo en cuenta la velocidad, el costo, el rango de temperatura y cualquier preocupación de precisión.

Los amplificadores operacionales bipolares como el 741 o el LM324 tienen diferentes compensaciones que los amplificadores operacionales FET. Por un lado, fueron diseñados hace muchos años cuando la tecnología FET IC era menos avanzada en relación con la tecnología bipolar IC. Es injusto llamar chatarra al 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 ganancia × ancho de banda de 1 MHz, 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 manejo 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 amplificadores operacionales de entrada FET con voltajes de compensación muy por debajo de un mV, pero luego compare su precio con el LM324.

Los primeros amplificadores operacionales FET, como el TL07x y el TL08x, tenían otros problemas, como un margen de rango de modo común de entrada muy alto en ambos extremos. Hoy en día, los amplificadores operacionales FET son más fáciles de hacer de riel a riel tanto para entrada como para salida, pero nuevamente compare el precio de incluso el MCPxxxx más barato con el antiguo LM324 en espera. También tenga en cuenta el rango de voltaje de suministro en el que puede operar el LM324. Ese es un truco difícil para la mayoría de los amplificadores operacionales FET de hoy.

Todo es un intercambio.

Los MOSFET son demasiado ruidosos para muchas aplicaciones de amplificadores de precisión. Si tiene una fuente de baja impedancia, para obtener el ruido más bajo de cualquier amplificador monolítico disponible, necesita ir a un amplificador bipolar como el LT1028 que tiene una densidad espectral de ruido blanco de 1,1 nV/sqrt (Hz). (Si eso no es lo suficientemente bueno, un diseño discreto puede funcionar mejor).

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

Si está haciendo procesamiento de audio para 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 rara vez son capaces de trabajar con voltajes de suministro más altos, como +/- 15 V (otro requisito frecuente de la instrumentación de precisión), y si lo son, tienden a costar un brazo y una pierna, creo que es principalmente porque tienen debe hacerse en una línea de proceso CMOS especial de alto voltaje y no mezclarse 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 anteriores (como el uA709), pero es bastante largo. 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 "suministro único"), pero cuesta solo uno o dos centavos 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 una con sus propias ventajas y desventajas. ¡Vive la différence!

Vale la pena señalar que, fundamentalmente, la transconductancia de un BJT es mucho mayor que la de un MOSFET. es decir, la corriente varía con la 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 combinación 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 creo que se debe mencionar las etapas de entrada de JFET. Algunos amplificadores operacionales (por ejemplo, el TL074 o el LF357) usan una combinación 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 generalmente 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 más alta. Si observa las especificaciones de varios amplificadores operacionales de entrada JFET, verá algunos 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 femtoamperios. 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 un microamperio o dos en algunos casos (como en el famoso LM741). Asimismo, 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 hercio raíz, mientras que el AD549 con su polarización de entrada casi imposiblemente baja tiene una densidad de ruido de baja frecuencia. ruido de frecuencia de hasta 6 microvoltios de pico a pico y densidad de ruido de alta frecuencia de hasta 90 nanovoltios por hercio raíz (aunque se reduce a unos 35 nV/√Hz por encima de 1 kHz).

Como todo en la vida, no existe una panacea que resuelva todos sus problemas, no existe un amplificador operacional del que pueda estar seguro de que satisfará sus necesidades, independientemente de cuáles sean. Si necesita una corriente de polarización ultrabaja o una impedancia de entrada muy alta, opte por un amplificador operacional de entrada JFET. Si necesita bajo nivel de ruido o bajo costo, opte por un amplificador operacional bipolar. Si necesita algo que ninguno de los dos puede proporcionar, bueno, busque algo más exótico. Lo más probable es que lo encuentres en algún lugar por ahí.