Pourquoi un op-amp utiliserait-il des BJT sur des MOSFET?

On m'a toujours dit qu'idéalement, les amplis-op ont une impédance d'entrée infinie. Donc, lorsque je regardais le schéma de niveau de transistor du LM741, j'étais confus quand ils utilisaient des BJT au lieu de MOSFET.

L'utilisation d'un BJT ne provoquerait-elle pas un courant entrant dans les broches d'entrée?

Le 741 est un vieux morceau de bric-à-brac, principalement utilisé pour enseigner l'électronique de base à bon marché. Il me semble me souvenir d’avoir lu quelque part que si chaque 741 exemplaires étaient rassemblés, il y en aurait assez pour en donner à chaque personne sur terre 6 ou 8 d’entre eux.

Les amplis op modernes se répartissent en plusieurs catégories.

1. Usage général - Ces amplificateurs opérationnels ne sont pas très rapides, ont de mauvaises caractéristiques non idéales (courants de polarisation dans les nanoampères), dérivent, ont des impédances d’entrée dans les mégaohms et ne coûtent presque rien. Le 741 entre dans cette catégorie.

2. Entrées FET - Elles sont un peu plus rapides, ont des caractéristiques non idéales nettement meilleures (courants de polarisation dans les picoamps), dérivent très peu, ont des impédances d’entrée extrêmement élevées (gigaohms), mais peuvent coûter quelques dollars.

3. CMOS - Les amplificateurs opérationnels CMOS sont lents, mais présentent d’excellentes caractéristiques non idéales (courants de polarisation dans les FEMTOamps), une impédance d’entrée extrêmement élevée (TERAohms), une dérive équivalente à celle des amplificateurs opérationnels standard et peut coûter quelques dollars. C'est le type d'amplificateur opérationnel qui peut obtenir sa sortie en millivolts de rails, mais la tension de rail est limitée.

4. Chopper Stabilized - C'est une autre forme d'amplificateur opérationnel CMOS. Il dérive très peu et a des décalages très faibles. Jetez un oeil à cet article pour plus d'informations

Il existe d'autres amplificateurs opérationnels capables de gérer les fréquences RF ou les courants de sortie élevés, mais ils ne tombent pas vraiment dans ces catégories.

Comme vous pouvez le constater, chaque type d’amplificateur opérationnel présente des caractéristiques de courant continu et une impédance d’entrée non idéales différentes. La quantité de courant qui passe dans les entrées de l'ampli op dépend de l'impédance d'entrée. Pour la plupart des amplis d’opération modernes, il s’agit de courants très faibles, qui peuvent être considérés comme négligeables pour la majorité des applications. Le type d’ampli opérationnel que vous utilisez est une considération de conception tenant compte de la vitesse, du coût, de la plage de température et de toute précision.

Les opamps bipolaires comme le 741 ou le LM324 ont des compromis différents de ceux des FET. D'une part, ils ont été conçus il y a de nombreuses années, lorsque la technologie des circuits intégrés FET était moins avancée que celle des circuits bipolaires. Il est injuste d'appeler le courrier indésirable du 741; c'était quelque chose de merveilleux en son temps. Son dérivé proche, le LM324, produit toujours en volume aujourd'hui. Il est donc évident que beaucoup de gens pensent que c'est le bon compromis pour leurs besoins.

Un avantage important du LM324 est son prix. Assez souvent, vous avez simplement besoin d’un opamp sans exigences très strictes. Si le produit gain de 1 MHz × bande passante, le courant de polarisation et les quelques mV d'offset suffisent, alors tout le reste n'est que de la jonque coûteuse.

En général, il est un peu plus facile de réduire la tension de décalage à quelques mV avec des bipolaires pour la même zone de puce. Il existe également des avantages en termes de capacité de commande de courant et de plage de tension d'alimentation. Les FET ont bien sûr l'impédance d'entrée très élevée. De nos jours, ces distinctions sont plus floues. Vous pouvez obtenir des ampoules d'entrée FET avec des tensions décalées bien inférieures à un mV, mais comparez ensuite leur prix au LM324.

Les premiers amplificateurs à effet FET, tels que le TL07x et le TL08x, présentaient d’autres problèmes, comme une très grande marge de sécurité en mode commun d’entrée aux deux extrémités. De nos jours, il est plus facile de créer des amplificateurs opérationnels FET rail à rail, mais comparez à nouveau le prix du MCPxxxx, même le moins cher, à l’ancien LM324 en veille. Notez également la plage de tension d'alimentation sur laquelle le LM324 peut fonctionner. C'est un truc dur pour la plupart des opamps FET d'aujourd'hui.

Tout est un compromis.

Les MOSFET sont trop bruyants pour de nombreuses applications d'amplificateurs de précision. Si vous avez une source à basse impédance, pour obtenir le bruit le plus faible de tous les amplificateurs monolithiques disponibles, vous devez vous rendre à un amplificateur bipolaire tel que le LT1028, qui a une densité spectrale de bruit blanc de 1,1 nV / sqrt (Hz). (Si cela ne suffit pas, un design discret peut faire mieux).

Comparez cela avec un amplificateur d’entrée MOSFET typique tel que le MCP601, qui est typiquement de 29nV / sqrt (Hz), soit environ 700 fois moins en termes de puissance.

Si vous effectuez un traitement audio audiophile, le meilleur amplificateur au monde est une partie bipolaire de Texas Instruments (née Burr-Brown). Il a beaucoup de courant de polarisation d'entrée, mais très peu de distorsion.

Les amplificateurs MOSFET sont également rarement capables de fonctionner avec des tensions d'alimentation plus élevées, telles que +/- 15V (autre exigence fréquente d'instrumentation de précision), et s'ils le sont, ils ont tendance à coûter un bras et une jambe, ce qui est principalement dû au fait qu'ils ont doit être réalisé sur une ligne de traitement CMOS haute tension spéciale et ne doit pas être mélangé avec du matériel numérique.

La 741 a été conçue au milieu des années 1960, donc il y a presque 50 ans. C’était un peu une amélioration par rapport aux amplis-ops précédents (tels que le uA709), mais c’est assez long dans la dent. Des versions doubles telles que le vénérable JRC 4558 sont utilisées dans les applications audio depuis des décennies. Comme le souligne Olin, le LM324 est similaire (l’étage de sortie présente des différences significatives, en partie pour en faire un "approvisionnement unique"), mais ne coûte que quelques centimes par amplificateur.

Mis à part le LM324, je ne pense pas qu'aucun autre ampli-op ait eu une utilisation aussi large que le 741 (peut-être que certains des amplificateurs JFET se rapprochent) - le marché est plus balkanisé, avec de nombreux choix différents pour le concepteur, chacun avec ses propres avantages et inconvénients. Vive la différence!

Il convient de souligner que, fondamentalement, la transconductance d'un BJT est beaucoup plus élevée que celle d'un MOSFET. c'est-à-dire que le courant varie avec l'exponentielle de la tension appliquée dans le cas d'un BJT, alors qu'il ne varie qu'avec le carré de la tension pour un MOSFET.

Idéalement, tous les systèmes seraient un mélange de BJT et de MOS, mais ce n'est pas comme cela que le monde fonctionne. Donc, pour les systèmes discrets, BJT est roi. Pour les systèmes intégrés sur puce, MOS est roi.

On a répondu à cette question à plusieurs reprises, mais j'estime qu'il faudrait mentionner les étapes d'entrée de JFET. Certains amplis op (par exemple, le TL074 ou le LF357) utilisent un mélange de JFET et de BJT pour obtenir de meilleures caractéristiques à certains égards qu’une conception bipolaire uniquement. (Les JFET sont préférés aux MOSFET en raison de leur plus grande résilience en ce qui concerne les surcharges brèves et les décharges statiques.)

Ces amplis op utilisent généralement des JFET pour l'étage d'amplificateur différentiel d'entrée, le reste du circuit étant bipolaire pour les raisons données par d'autres personnes. L'avantage d'utiliser des FET pour l'étage d'entrée est exactement ce que vous dites: ils ont une impédance d'entrée beaucoup plus élevée. Si vous examinez les spécifications de différents amplificateurs opérationnels à entrée JFET, vous verrez des amplificateurs dotés de courants de polarisation d'entrée inférieurs à dix picoampères. femtoampères. Les amplis ops bipolaires standard, à titre de comparaison, ont généralement des courants de polarisation d'entrée de l'ordre de quelques nanoampères (comme dans l'OP07E), jusqu'à un microampère ou même deux (dans certains cas, comme dans le célèbre LM741). De même, et pour les mêmes raisons, l'impédance d'entrée d'un ampli op à entrée JFET sera supérieure de cinq à six ordres de grandeur à celle d'un ampli op bipolaire.

Il y a un compromis, cependant. Les amplificateurs opérationnels d'entrée JFET ont tendance à avoir un bruit de tension d'entrée nettement plus élevé. L'OP07E bipolaire mentionné ci-dessus a un bruit basse fréquence inférieur à 0,6 microvolts, une densité de bruit crête à crête et haute fréquence de l'ordre de dix nanovolts par hertz racine, tandis que l'AD549, avec son biais d'entrée extrêmement faible bruit de fréquence allant jusqu'à 6 microvolts, densité de bruit crête à crête et haute fréquence allant jusqu'à 90 nanovolts par hertz racine (bien qu'elle chute à environ 35 nV / √Hz au-dessus de 1 kHz).

Comme pour tout dans la vie, il n'y a pas de panacée qui résout tous vos problèmes, il n'y a pas d'amplificateur opérationnel dont vous pouvez être sûr qu'il saura répondre à vos besoins, peu importe ce qu'ils sont. Si vous avez besoin d'un courant de polarisation ultra-faible ou d'une impédance d'entrée très élevée, optez pour un ampli op à entrée JFET. Si vous avez besoin d’un faible bruit ou d’un faible coût, optez pour un ampli op bipolaire. Si vous avez besoin de quelque chose que ni l'un ni l'autre ne peut fournir, eh bien, cherchez quelque chose de plus exotique. Les chances sont, vous le trouverez quelque part là-bas.