Какой усилитель лучше всего подойдет для проектируемого приложения? Сначала выбирается оптимальный технологический процесс. Большинство производителей указывает в маркировке каждого устройства, что оно изготовлено, например, по КМОП-, биполярной или даже БиКМОП-технологии, но что это значит применительно к конкретному приложению?

 Технологические процессы

Прежде чем мы перейдем к рассмотрению характеристик операционных усилителей, давайте кратко остановимся на каждом из упомянутых технологических процессов. Биполярные транзисторы, изобретенные в конце 1940-х гг. корпорацией BellLaboratories, названы так потому, что для их работы используются и электроны, и дырки. Эти транзисторы, которые широко применялись для проектирования ИС на протяжении десятков лет, по-прежнему востребованы.

Транзисторы, изготовленные по технологии КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник), появились в 1960-х гг., став альтернативой транзисторно-транзисторным логическим схемам (TTL) благодаря меньшему энергопотреблению. В отличие от транзисторов других типов, КМОП-транзисторы потребляют ток только при коммутации – отсюда и меньшая потребляемая мощность.

Как следует из названия, в одном БиКМОП-устройстве сочетается биполярная и КМОП-технология. Такая комбинация позволяет использовать преимущества каждой из этих технологий. Не считая 20 последних лет, сочетание биполярной и КМОП-технологии в одном процессе не обеспечивало достаточную надежность и обходилось очень дорого. В настоящее время БиКМОП-процесс применяется в тех приложениях (в т.ч. с ОУ), в которых преимущества превосходят дополнительные расходы, обусловленные использованием этой технологии.

Наконец, у каждого из упомянутых техпроцессов имеются свои достоинства и недостатки при использовании операционных усилителей. Далее мы подробнее остановимся на компромиссных решениях и увидим, как они связаны с характеристиками современных усилителей.

Рис. 1. Такие КМОП ОУ как MCP6041 от Microchip Technology имеют малый ток покоя и применяются в системах с малым энергопотреблением

 Энергопотребление

Как упоминалось, энергоэффективность технологии КМОП выше за счет того, что транзисторы потребляют ток только при коммутации.

С увеличением ширины полосы пропускания ток КМОП-усилителя существенно возрастает и вскоре начинает превышать ток сравнимого по параметрам биполярного усилителя. Поскольку ток, необходимый КМОП-усилителям, увеличивается экспоненциально при работе в высокоскоростных системах, биполярные усилители, как правило, более пригодны для использования в приложениях с широкой полосой пропускания и высокой скоростью нарастания выходного сигнала.

В случае приложений с менее широкой полосой пропускания КМОП-усилители являются более предпочтительным выбором. Например, типовое значение тока покоя операционного КМОП-усилителя MCP6041 от компании Microchip Technology составляет всего 600 нА, а произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания равно 14 кГц.

 Шумовая характеристика

Если говорить о фликкер-шуме (1/f), то у КМОП-транзисторов НЧ-шум выше, чем у биполярных. На низких частотах основными источниками этого шума являются неоднородности в проводящем тракте и токи смещения в транзисторах. В биполярном транзисторе проводящий тракт находится внутри кристалла.

У КМОП-транзистора ток протекает близко к поверхности, что делает это устройство восприимчивым к дефектам поверхности полупроводника и увеличивает НЧ-шум. На более высоких частотах фликкер-шум незначителен по сравнению с белым шумом других источников.

У КМОП-транзисторов меньше крутизна характеристики, чем у биполярных транзисторов того же размера, что приводит к увеличению широкополосного шума. Вообще говоря, специфика биполярных операционных усилителей заключается в том, что их шумовые характеристики лучше, чем у КМОП-усилителей.

Напряжение смещения

Еще одной важной характеристикой усилителя является его напряжение смещения между инвертирующим и неинвертирующим входами. Величина этого напряжения рассогласования находится в диапазоне от нескольких мкВ до нескольких мВ и в значительной мере зависит от того, насколько хорошо согласованы транзисторы на входах.

Биполярные транзисторы лучше обеспечивают согласование, благодаря чему напряжение смещения меньше для используемой схемы. Некоторые производители компенсируют это внутреннее рассогласование с помощью лазерной подгонки, предохранителей и даже программируемого ПЗУ. Данные методы позволяют значительно улучшить характеристики усилителя независимо от того, по какому техпроцессу он был изготовлен. Благодаря лучшему согласованию уменьшается дрейф напряжения смещения в зависимости от температуры, что также является важной характеристикой для многих приложений.

Цена/корпусирование

КМОП является более экономичной технологией, главным образом, благодаря традиционно меньшей стоимости подложек за счет массового выпуска логических КМОП ИС. В то же время, при той же допустимой нагрузке по току КМОП-транзисторы занимают большую площадь на кристалле по сравнению с биполярными транзисторами, что увеличивает размеры ИС. Таким образом, хотя стоимость подложек для КМОП ИС меньше, на одной подложке умещается меньше этих кристаллов, что нивелирует их ценовое преимущество. Так или иначе, структуры издержек двух сравниваемых техпроцессов очень похожи.

Кроме того, полупроводниковое решение большей площади ограничивает возможности корпусирования. Это ограничение может стать очень серьезным препятствием в условиях неуклонного спроса на более высокую производительность и больший функционал при меньших размерах изделий. Некоторые корпуса, например BGA и корпуса бессвинцовых типов, позволяют обойти эти ограничения.

Входной ток смещения

Все усилители характеризуются током, который смещает транзисторы во входном каскаде. Это ток утечки, который на входах усилителя называется током смещения. Его величина находится в диапазоне от нескольких сотен пА до сотен нА.

У операционных усилителей с входным КМОП-каскадом, как правило, ток смещения, равный примерно 1 пА, на порядок меньше, чем у входных биполярных транзисторов. Протекая через сопротивление на входе, этот ток преобразуется в напряжение, что, в конечном итоге, приводит к появлению напряжения ошибки на выходе усилителя. Чем меньше ток смещения, тем лучше, и в этом отношении у КМОП-усилителей явное преимущество.

Какая технология лучше?

Вопрос о том, какая технология лучше для изготовления усилителей, обсуждался, обсуждается и, скорее всего, не будет снят с повестки дня и в дальнейшем. У биполярных усилителей – более внушительный послужной список, а у КМОП-усилителей имеются некоторые неоспоримые преимущества. БиКМОП-процесс является относительно новой гибридной технологией, которая сочетает в себе достоинства обеих процессов и обеспечивает превосходную производительность по цене, которая все больше становится конкурентоспособной.

Ответ на вопрос о том, какая из этих технологий является наилучшей, зависит от конкретных обстоятельств и потому продолжает дискутироваться. Разработчик должен оценить функции усилителей в проектируемой системе, чтобы определить, какие характеристики являются наиболее предпочтительными.

Если операционный усилитель работает с высокоимпедансным датчиком, например термопарой с пассивной фильтрацией, в первую очередь следует минимизировать токи смещения. В таком случае наилучшим выбором является усилитель с входным КМОП-каскадом. Если же высокоскоростному приложению требуется усилитель с большой скоростью нарастания выходного сигнала, с этой задачей лучше всех справится биполярный усилитель, у которого минимальный ток покоя.

Поскольку ни один технологический процесс или операционный усилитель не обеспечивает потребности всех приложений, в которых используются эти устройства, производители выпускают разные ОУ, изготовленные по разным технологиям.

Подробнее об ОУ см. на http://www2.electronicproducts.com/AnalogMixICs.aspx.