Por que um amplificador operacional usaria BJTs sobre MOSFETs?

Sempre me disseram que, idealmente, os amplificadores operacionais têm uma impedância infinita de entrada. Então, quando eu estava olhando para o esquema de nível de transistor do LM741, fiquei confuso quando eles usaram BJTs em vez de MOSFETs.

Usar um BJT não resultaria em corrente fluindo para os pinos de entrada?

O 741 é um velho pedaço de lixo, usado principalmente para ensinar eletrônica básica a preços baratos. Eu me lembro de ter lido em algum lugar que, se todos os 741 feitos já fossem recolhidos, haveria o suficiente para dar a cada pessoa na terra 6 ou 8 deles.

Os amplificadores operacionais modernos se enquadram em várias categorias.

1. Objetivo geral - Esses amplificadores operacionais não são muito rápidos, possuem características não ideais (correntes de polarização nos nanoamp), deriva, impedâncias de entrada nos megaohms e custam quase nada. O 741 se enquadra nessa categoria.

2. Entradas FET - São um pouco mais rápidas, possuem características não ideais significativamente melhores (correntes de polarização nos picoamp), derivam muito pouco, possuem impedâncias de entrada extremamente altas (gigaohms), mas podem custar alguns dólares.

3. CMOS - Os amplificadores operacionais CMOS são lentos, mas têm excelentes características não ideais (correntes de polarização nos FEMTOamps), impedância de entrada extremamente alta (TERAohms), oscilam tanto quanto os amplificadores operacionais de uso geral e podem custar alguns dólares. Esse é o tipo de amplificador operacional que pode obter sua saída em milivolts dos trilhos, mas a tensão do trilho é limitada.

4. Chopper estabilizado - Esta é outra forma do amplificador operacional CMOS. Ele deriva muito pouco e tem compensações muito baixas. Dê uma olhada neste artigo para obter mais informações

Existem outros amplificadores operacionais que podem lidar com frequências de RF ou com altas correntes de saída, mas eles realmente não se enquadram nessas categorias.

Como você pode ver, cada tipo de amplificador operacional possui características DC não ideais diferentes e impedância de entrada. A quantidade de corrente que flui para as entradas do amplificador operacional depende da impedância da entrada. Para a maioria dos amplificadores operacionais modernos, essas são correntes muito pequenas e podem ser consideradas desprezíveis para a maioria das aplicações. Que tipo de amplificador operacional você usa é uma consideração de projeto, considerando a velocidade, o custo, a faixa de temperatura e quaisquer preocupações de precisão.

Opamps bipolares como o 741 ou o LM324 têm vantagens e desvantagens diferentes dos opamps FET. Por um lado, eles foram projetados há muitos anos quando a tecnologia FET IC era menos avançada em relação à tecnologia bipolar de IC. É injusto chamar o 741 lixo; era algo maravilhoso em seu tempo. Seu derivado próximo, o LM324, ainda está em produção em volume atualmente, portanto, obviamente, muitas pessoas pensam que é a troca certa para seus requisitos.

Uma vantagem significativa do LM324 é o seu preço. Muitas vezes, você só precisa de um opamp sem requisitos muito rigorosos. Se o ganho de 1 MHz × o produto da largura de banda, a corrente de polarização e os poucos mV de deslocamento são bons o suficiente, então tudo o resto é apenas lixo caro.

Em geral, é um pouco mais fácil reduzir a tensão de compensação para alguns mV com bipolares para a mesma área de chip. Também existem vantagens na capacidade atual do inversor e na faixa de tensão de alimentação. É claro que os FETs têm uma impedância de entrada realmente alta. Hoje em dia essas distinções estão mais embaçadas. Você pode obter opamps de entrada FET com tensões de deslocamento bem abaixo de um mV, mas depois comparar seu preço com o LM324.

Os primeiros opamps de FET, como o TL07x e o TL08x, tinham outros problemas, como um headroom de faixa de modo comum de entrada muito alta nas duas extremidades. Atualmente, os opamps FET são mais fáceis de fazer ferroviário para ferroviário para entrada e saída, mas novamente comparam o preço do MCPxxxx mais barato com o antigo LM324 em espera. Observe também a faixa de tensão de alimentação na qual o LM324 pode operar. Esse é um truque difícil para a maioria dos opamps atuais de FET.

Tudo é uma troca.

Os MOSFETs são muito barulhentos para muitas aplicações de amplificadores de precisão. Se você tiver uma fonte de baixa impedância, para obter o menor ruído de qualquer amplificador monolítico disponível, precisará acessar um amplificador bipolar como o LT1028, que possui uma densidade espectral de ruído branco de 1,1nV / sqrt (Hz). (Se isso não for bom o suficiente, um design discreto pode ser melhor).

Compare isso com um amplificador de entrada MOSFET típico, como o MCP601, que é tipicamente 29nV / sqrt (Hz), ou cerca de 700 vezes pior em termos de potência.

Se você estiver processando áudio audiófilo, o melhor amplificador do mundo é uma parte bipolar da Texas Instruments (n. Burr-Brown). Possui muita corrente de polarização de entrada, mas muito pouca distorção.

Os amplificadores MOSFET também raramente são capazes de trabalhar com tensões de alimentação mais altas, como +/- 15V (outro requisito frequente de instrumentação de precisão) e, se forem, tendem a custar um braço e uma perna, acho que é principalmente porque eles têm para ser feito em uma linha de processo CMOS de alta tensão especial e não misturado com material digital.

O 741 foi projetado em meados da década de 1960, quase 50 anos atrás. Foi uma melhoria em relação aos amplificadores operacionais ainda mais antigos (como o uA709), mas é bastante demorado. Versões duplas, como o venerável JRC 4558, são usadas em aplicações de áudio há décadas. Como observa Olin, o LM324 é semelhante (o estágio de saída tem diferenças significativas, em parte para torná-lo "fornecimento único"), mas custa apenas um centavo ou dois por amplificador em quantidade.

Além do LM324, acho que nenhum outro amplificador operacional conseguiu tanto uso quanto o 741 (talvez alguns dos amplificadores JFET cheguem perto) - o mercado está mais balcanizado, com muitas opções diferentes para o designer, cada um com suas próprias vantagens e desvantagens. Viva a diferença!

Vale ressaltar que fundamentalmente a transcondutância de um BJT é muito maior do que para um MOSFET. isto é, a corrente varia com o exponencial da tensão aplicada no caso de um BJT, enquanto que apenas varia com o quadrado da tensão para um MOSFET.

Idealmente, todos os sistemas seriam uma mistura de BJT e MOS, mas não é assim que o mundo funciona. Portanto, para sistemas discretos, o BJT é o rei. Para sistemas integrados em um chip, o MOS é o rei.

Esta pergunta foi respondida várias vezes, mas acho que deve ser mencionada as etapas de entrada do JFET. Alguns amplificadores operacionais (por exemplo, o TL074 ou o LF357) usam uma mistura de JFETs e BJTs para obter melhores características em alguns aspectos do que um design apenas bipolar. (Os JFETs são preferidos aos MOSFETs devido à sua maior resiliência quando se trata de breves sobrecargas e descargas estáticas.)

Esses amplificadores operacionais normalmente usam JFETs para o estágio do amplificador diferencial de entrada, com a maior parte do restante do circuito sendo bipolar pelos motivos que outros deram em suas respostas. A vantagem de usar FETs para o estágio de entrada é exatamente como você diz: eles têm uma impedância de entrada muito maior. Se você observar as especificações de vários amplificadores operacionais de entrada JFET, verá outras com correntes de polarização de entrada inferiores a dez picoamperes - e se observar o AD549L, por exemplo, ele possui um viés de entrada de no máximo 60 femtoamperes. Os amplificadores operacionais bipolares padrão, para comparação, normalmente têm correntes de polarização de entrada da ordem de alguns nanoamperes (como no OP07E), até um microampere ou dois em alguns casos (como no famoso LM741). Da mesma forma, e pelas mesmas razões, a impedância de entrada de um amplificador operacional de entrada JFET será cinco ou seis ordens de magnitude maior que a de um amplificador operacional bipolar.

Há uma troca, no entanto. Os amplificadores operacionais da entrada JFET tendem a ter um ruído de tensão de entrada significativamente maior. O OP07E bipolar mencionado acima possui ruído de baixa frequência inferior a 0,6 microvolts pico a pico e densidade de ruído de alta frequência da ordem de dez nanovolts por raiz hertz, enquanto o AD549 com seu viés de entrada quase impossivelmente baixo tem baixa ruído de frequência de até 6 microvolts pico a pico e densidade de ruído de alta frequência de até 90 nanovolts por raiz hertz (embora caia para cerca de 35 nV / √Hz acima de 1 kHz).

Como em tudo na vida, não há panacéia que resolva todos os seus problemas, não há amplificador operacional que você possa ter certeza de que atenderá às suas necessidades, independentemente do que sejam. Se você precisar de uma corrente de polarização ultra baixa ou de uma impedância de entrada muito alta, use um amplificador operacional de entrada JFET. Se você precisar de baixo ruído ou baixo custo, use um amplificador operacional bipolar. Se você precisar de algo que nenhum deles possa fornecer, bem, procure algo mais exótico. Provavelmente, você o encontrará em algum lugar por aí.