Temel Bölünme: Op-Amp Design'daki Bipolar vs. CMOS

Operasyonel yükselteçler, analog sinyal işlemenin arka kemiğini oluşturur, gerçek dünya koşullarından gelen devrelerde ortaya çıkar.Bu analiz, bipolar ve CMOS yarı iletken süreçleri arasındaki seçim, belirli bir veri tablosunun ötesine geçer - bilgilendirilmiş tasarımlarını anlamak, bu temelleri anlamak, güç dağıtımını ve genel devre davranışını gerçek dünya koşullarından daha fazla ayrımcılığa dayanan fiziksel ilkeleri araştırıyor.

BJT ve MOSFET giriş aşamaları arasında mimari ayrımlar iyi belgelenir, ancak devre tasarımı için pratik sonuçlar mevcut veya bant genişliği gibi temel parametrelere ulaşır. Anahtar metrikler transkondüktörlük ()))[Döneticileri/Döneticileri/Döndergiler) Farklı sinyal koşulları altında farklı davranışsal desenler oluşturur.

Cihaz Fiziği Ampirasyon Davranışları Nasıl Şekiller

Bipolar Junction Transistors: Yüksek Transconductance ve Onun Consequences

Bipolar operasyonel yükselteçler NPN ve PNP transistörleri, genellikle ikinci bir kazan aşaması ve sınıf-AB çıktı aşaması tarafından takip edilen ve BJT'nin yüksek transkondüktörlükleri – yaklaşık 40 milisamperyalist akımları – genellikle kaynakta önemli bir gerilim artışı yaratabilir ve DC doğruluklarını artırır.

Sıcaklık duyarlılığı, bipolar tasarımlar için önemli bir zayıflığı temsil eder. temel-emitter gerilimi ())) dereceler için yaklaşık 2 mV ile azalır ve aynı zamanda monolithic işlem eşleştirme dengeleme işlemi dengeleme azalırken, giriş seviyesi yüksek çözünürlükte birkaç mikro volta kadar değişebilir[Diziste 10 inçlik ölçümler)[Düzücükler)

CMOS: Ben, Gates'i ve Low Power için Quest'i izole ettim

CMOS operasyonel yükselteçler, kaynak direncinin yüksek veya yükseltilmediği devrelerin devre dışı kalmasına rağmen [Dönetici:0)[Döneticileri/[Dönemli DC girişleri ile {{) arasındaki en iyi şekilde yükseltilebilir.[Döneticileri değiştirmiş durumdakiler, doğruları ve alttakileri değiştirmiş gibi.[Döneticileri değiştirmişler.

Giriş kapasitesi, CMOS op-amp tasarımında sık sık sık hafife alınmış bir faktördür. kapı- kanal kapasitesi, girişte parasitik kapasitans ekler ve büyük kaynak dirençliler ile birleştirilirken, kutuplu yükselteçlere veya gürültü-dönüşümlü konfigürasyonlara neden olabilir.

Head-to-Head Performans Analizi

Bias Current ve Impedance

İki teknoloji arasındaki giriş önyargısı çarpıcıdır. Genel amaçlı bipolar af-ampsiyonlar 25°C'de yaklaşık 1 pA'nın ortalama 12 ila 15 °C'nin üzerindeki etkisi, ancak 85°C'de olduğu gibi hassas iki tipte, yüksek sızıntı veya pH seviyesi ile ilgili uygulamalar için mevcut olan bazı yönlerden oluşur.

Giriş engeli her teknoloji için ayrı şekillerde devre davranışı etkiler. Bir bipolar af-amp'in sonlu girişi sergileyerek -% 2 kULL'ye 20 MULL'ye iki bağlantı noktası - kaynağına yük, kazan ve bir gerilim bölme hatasına giriş yapmak, 100 kULLAH'ın şarj edilmesi için, 10 MULL giriş direncini gösteren bir kaynak için -% 10'a kadar hata yaklaşımları elde etmek - yükleme hatasının aslında sıfır olması.

Gürültü Performansı Frekans Spectrum'da

Gürültü analizi hem gerilim hem de mevcut gürültüyü, frekans aralıkları üzerinde değerlendirmeleri dikkate almalıdır. Bipolar yükselticiler düşük gerilim gürültüsünü alır - 4 nV / UTCHz - çünkü temel direniş, büyük hacimli transistörlerle en aza indirmek ve ses ölçekleri ile ölçülür[Dönemli bir şekilde yüksek çözünürlükte bir miktar söndürücüyü gösterir.[Dönemli ses kaynağı değiştir][Dönemli).

CMOS yükselteçleri daha yüksek gerilim gürültüsünü gösteriyor ancak mevcut gürültünün toplam girişinin gürültüyü gösteriyor. 1 MULLAH'ın kaynağı için, 2 nV/√Hz gerilim gürültü ve 1 fA / √Hz gerilim gürültünün mevcut gürültünün toplam girişinin 1 nV / μV / μV / √Hz ile bir araya gelmesi, toplam gürültüyü neden azaltacağını açıklıyor.

Flicker gürültü davranışı iki teknoloji arasında önemli ölçüde farklıdır. bipolar transistörlerde, 1/f gürültü öncelikle yüzey rekombinasyon nedeniyle, köşe frekansları ile tipik olarak 1 / 8 ses cihazını standart parçalar için değiştirir ve 10 Hz'nun altında, düşük frekanslarda ve arayüz tuzaklarından oluşur, ancak kilo veren frekanslarda sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık akıp giden CMOS modülasyona doğru devre dışı CMOS modülasyona doğru devreleri değiştirir.

Band genişlik, Win-Band genişlik Ürün ve Slew Rate

Verilen bir süreç nesli için, bipolar yükselteçler, IS4817'nin 20 mA quiescent akımı nedeniyle daha yüksek oranda artış gösterdi., CMOSNT=f=f=f=f amp amp x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Slew oranı, giriş aşamasının kuyruğunun mevcut ve tazminat kapasitesi ile belirlenir. Her iki teknolojide, önyargılı mevcut artış hızı arttı. Bipolar yükselteçler, çünkü genellikle V / μs. CMOS a benzer bir hızda 5000 $ 'lık bir şekilde kullanılabilir. Klasik NE5532, karşılaştırılabilir oranlarda daha yüksek bir artış oranına sahip olabilir, ancak genellikle yüksek frekanslı yüksek frekanslı V / yüksek frekanslı yüksek frekanslı 5000 V / μs. CMOS arsaları aşıyor.

Güç tüketimi ve Verimliliği Ticareti

CMOS op-ampsütürü doğal olarak güç verimsizdir, çünkü MOS transistörleri, bu performansı hala yararlı hale getirirken son derece düşük frekanslı kullanım uygulamaları için ideal hale getirebilir.[TOS][I]

Linearity and Distortion

Toplam harmonik bozulma (THD) transfer fonksiyonundaki doğrusal olmayanlıklardan ortaya çıkar. Bipolar yükselteçler BJT diferansiyel çiftlerin sınırlı bir giriş aralığı üzerinde, yüksek açık-loop kazanıyla birlikte, doğru tasarlanmış bir bipolar af-ampte baskın bozulma, tedarik raylarına yaklaşırken, çıktı aşamasından yararlanır.

CMOS op-amps, meydan-law özelliği nedeniyle bozulmadan muzdarip, bu da üçüncü sıralı bir sinyal seviyelerini bile uyumlu hale getiriyor. Basit bir CMOS diferansiyel çift, doğrusal olmayan bir yükselteçin çıktısı, özellikle de raylı çıkış için tasarlanmış bir çift için tasarlanmıştır.

Sıcaklık Stability ve Offset Drift

Frekans gerilimi, hassas sistemler için kritik bir parametredir. Bipolar yükselteçler genellikle 1 ve 5 μV /°C arasında bir sıcaklık katlanma katsayısının, işlem koşullarını olumlu veya olumsuz yönde azaltılabilmesine izin verir.In CMOS amplifikasyonları genellikle 5 ila 20 °C arasında hız katlanarak hıza kadar hız katlanır.

Uygulama-Specific Selection

Tıbbi Alet: ECG ve EEG Front-Bits

Elektrocardiography (ECG) ve elektroenseseografi (EEG) sinyalleri, Texas Instruments'tan ADS1292R gibi, kanal başına 1 mW'nin altındaki düşük güç tüketimi ile entegre edilebilir bir çözüm sunar.

Otomotiv Sensörleri Interfaces

Otomotiv ortamları, -40C'tan 125°C'ye kadar geniş sıcaklık aralıkını talep ediyor, elektromanyetik müdahaleye karşı direniş ve genellikle tek başına 1-toplayıcı ile işlem, raylı sistemlerle çalışır ve baskı sensörleri için doğal seçimler içerir, basınç sensörleri, chopper-stabilize CMOS gibi sıcaklık sensörleri, sinyal sensörleri, 1.000'den fazla V'ye kadar olan USB ampliförlüğün hızlanması ve 60 μA'yı içerir.

Ses Sistemleri: Kulaklıklar ve Portatif Oyuncular

Hareketli seste, yeterli çıktı gerilimi kulaklıklara kadar hızlandığında batarya hayatını maksimize edin – sadece 2.5 mA. için optimize edilmiş 32 ULLAH - CMOS af-amps.The LMH6643 is a CMOS amplifikatörü that can offer 100 mA print current with rail-to-rail while consuming only 2.5 mA. For studio-quality design like AD8397, which uses a BiCMOS process, offers 1.5 nV/pilot noise and 240 mA sound current, but at 18 mA supply current.

Yüksek Hızlı İletişim ve Data Converter

100 MHz'de yüksek hızlı uygulamalar için ADC sürücüleri ve yukarıdakiler LTC6228 gibi olağanüstü bozulma performansı ve hızlı yerleşme zamanı gerektirir. SiGe BiCMOS süreçleri bu alanda standart haline geldi, 10 MHz'de ultra yüksek-daha yüksek-daha yüksek-daha yüksek-daha yüksek frekanslı yükselteçleri birleştirirken, MAX44281 için maksimum tedarik ve kontrol için yüksek çözünürlükte maksimum gerilimler ile sınırlı olduğu gibi, genellikle 3.6 V ve lineer olmayan 10 modüle karşılaştırıldığında, 10 inçlik bir şekilde sabitleme işlemi daha düşük seviyedeki sabitlenir.

Op-Amp Selection için Sistematik Yaklaşım

yapılandırılmış bir metodoloji, kritik parametrenin göz ardı edilmediğini sağlar. Bu adımların ardından, başvuru gereksinimleriyle karşılayan belirli bir bölümünü tespit eder.

  1. [FONT=0) Kaynak Özelliklerini Tanımlayın:[Dönetici:[Dönetici:0) Kaynağı sinyal frekansında engelleyiciyi ölçün. 100 kULL'yi aştıktan sonra, CMOS veya FET-input af-amps.
  2. [FONT=0]Set the Truth Gereksinimler:[Dönetici:[Döneticileri belirlemek, hesaplama, sıcaklık üzerinde sürüklenmek ve hata kazanmak. 1 μV/°C'nin altına sürüklenmek için, takt-tavaplı CMOS otozero yükselteçleri düşünün.
  3. [FONT=0]Calculate the noise Budget:[Dönetici: [Dönetici: 0: 5 ) [Dönetici ve yükseltici gürültüyü kullanarak, mevcut gürültülerin veri kümesinden (Dönetici) [Dönetici için) [Döneticiler için) [Döneticiler için) [Dönemliler için [Dönemliler için)[Dönemliler için)[Düzücüler[Dönemler için)[Dönemliler[Düzücüler için)
  4. [FONT:0]Estimate Required Band genişlik: Multiply kapalı-loop kazanarak en yüksek faiz oranıdır. iyi bir aşama marjı için en az 10 kez bir amplifikatör seçin.Eğer gerekli GBW 50 MHz ve güç kısıtlanırsa, bipolar veya BiCMOS varsayılan yöndür.
  5. [FONT:0) Güç Sınırları: [Dönetici:[Dönetici: 0) Kanal başına en yüksek uygulanabilir quiescent mevcut per kanal ve tedarikden gerekli gerilim sallanan. 5 V üzerinde çalışan veya tam demiryolu salımı gerektiren tek sistem için, CMOS, demiryolu-rayışlı çıkış için avantajlıdır.
  6. [[Dönamin Çıktısı Drive:[Dönetici:[Döneticileri düşük devre dışı bırakmalı ve 100 {{ veya kapasitif yük 100 F'yi aşabilir, veri tablonun açık-loop çıkışının yanlış yönlendirilmesini kontrol edin.
  7. [FONT:0)Review Dış Constraints:[Dönetici: Sıcaklık aralığı, PCB sızıntı akımları ve mevcut yönetim alanı için 125°C'nin üzerindeki yüksek sıcaklık kullanımı için, bipolar yükselteçler CMOS'tan daha az performans bozulmasına eğilimlidir, çünkü CMOS kapısı sızıntı sıcaklıkla üst katlanır.

Bipolar ve CMOS Op-Amps için Layout Teknikleri

Bipolar ve CMOS giriş yapıları arasındaki ince farklar PCB düzeni sırasında dikkat gerektirir. CMOS girişleri aşırı derecede yüksek derecede kırılgandır, ancak tahtadaki iyonik kirlenme ve nemiğe karşı dikkatli bir şekilde hareket ederler.Bir PCB'de düşük oran gerilimi azaltır ve bir ısı dağılımının emirlerine göre bir zemini azaltır.

Stabilite için, her iki teknoloji tazminata ihtiyaç duyar, ancak mekanizmalar farklı. CMOS op-amps genellikle şarj cihazını kullanan daha düşük çıktıları taklit ettiğinde daha etkili bir şekilde kullanır. ancak, genellikle 10 ila 50 Ω, amplifatörlü geçişler ile şarj edilebilir.

Decoupling her iki teknoloji için de önemlidir. Tedarik hatlarıyla serideki yüksek hızlı tasarımlar için, sabit zemin pimi nedeniyle şarj edilebilir.

Convergence: BiCMOS ve Gelişen Teknolojiler

Bipolar ve CMOS arasındaki ayrım, gelişmiş süreç teknolojileri sayesinde bulanıklaşır. SiGe BiCMOS, tasarımcılara düşük seviyeli CMOS mantığının yanı sıra düşük seviyeli bir çiftliği sağlamak için bir CMOS konsepti sunabilmelerini sağlar. ADA4610-2 exemplming, ve iletişim işlevleri.

Bir başka önemli eğilim, yüksek hızlı ADC sürücüsü aşamalarında giderek daha hassas hale getirmek için bir itkide NPN ve PNP bipolar transistörleri otomatik olarak geri yüklemek ve başlangıç sırasında hataları elde etmek için daha hassas hale getirmek için bir tahrik yapılandırmadır. Bunlar daha hızlı bir şekilde kullanılabilir.

Hızlı bir gelecek için, GaN-Si teknolojisi gibi geniş bant genişliği henüz küçük imzalı aflamalar ve eş gerilimi belirsizliği nedeniyle hazır değildir. Ancak, GaN-Si teknolojisindeki araştırma, bu ticari-dönüşümlerin belirli sinyal, güç ve çevresel kısıtlamalar bağlamında yüksek sıcaklık aranabilir.

Final Düşünceler

Bipolar ve CMOS op-amps, analog tasarımcının aracıkit. Bipolar teknoloji, düşük beyaz gürültü, yüksek bant genişliği ve sabit yüklerin altında yatan lineerliğin gerekli olduğu yerde tamamlayıcı rollere hizmet eder. CMOS teknolojisi girişin son derece yüksek olması gerekir, güç tüketimi en aza indirmek için gereklidir ve dijital devrelerle entegrasyon gerekli değildir.

Daha fazla okuma için aşağıdaki yazar kaynaklarına danışın:

  • [0]Texas Instruments – Op Amp Power Dissipation Analysis[Dönemli: 1)
  • [[Döneticileri: Op Amp Gürültü: Üç Anahtar [Döntgen: 1)
  • [FONT=0)Texas Instruments - Op Amp Devreleri için Gürültü Analizi[Dönem: 1)
  • [0]Maxim Entegre - Low-Power Operasyonel Amplifiers üzerinde eğitim