CMOS nebo bipolární. Jaký operační zesilovač zvolit?

Pokud jde o volbu vhodných operačních zesilovačů (OZ), mají dnes vývojáři z čeho vybírat. Vždyť jen tři největší výrobci OZ společně nabízí více než šestnáct stovek produktů, a to nepočítáme speciální prvky. Jak se ale má v tak obrovském množství součástek jeden vyznat? Při zužování nabídky můžeme třeba začít výběrem samotné technologie. Většina výrobců své operační zesilovače zřetelně označuje jako CMOSové, bipolární, příp. též zkratkou BiCMOS, ale co to pro nás přesně znamená?

Spotřeba energie

Svou nižší výkonovou spotřebou je technologie CMOS známá – proudový odběr tranzistorů zde totiž souvisí jen se změnou stavů. Zmíněná výhoda však bude platit pouze u pomalejších zesilovačů. S rostoucí šířkou pásma pak proudový odběr zesilovačů CMOS dramaticky roste a záhy jimi teče více než srovnatelným bipolárním obvodem. Abychom tedy s technologií CMOS dosáhli vyšších rychlostí, neobejdeme se bez exponenciálního nárůstu proudu. Do rychlých aplikací s velkou šířkou pásma se proto obvykle lépe hodí bipolární OZ. V zapojeních s menší šířkou pásma mohou být ale CMOSové zesilovače z hlediska odběru stále výhodnější.

Otázka šumu

Ve věci blikavého šumu nebo šumu typu 1/f budou tranzistory CMOS ve srovnání se svými bipolárními protějšky vykazovat na nízkých kmitočtech horší výsledky. Výsledek zde ovlivňují nepravidelnosti vodivé trasy a také rušení způsobené klidovými proudy tranzistorů. V případě bipolárního tranzistoru se bude zmíněná trasa nacházet uvnitř křemíku, zatímco u prvků CMOS proud poteče nedaleko povrchu a vše se tak odvíjí od poruch právě v této oblasti, což představuje i navýšení nf šumu. Na vyšších frekvencích již bude rušení typu 1/f zanedbatelné, protože se začíná uplatňovat bílý šum z dalších zdrojů. Oproti stejně velkým bipolárním tranzistorům vykážou CMOSové struktury nižší transkonduktanci a my tak dostáváme vyšší hladinu širokopásmového šumu. Obecně vzato, dojde-li na otázku šumových vlastností, bude základní výhoda na straně bipolárních OZ.

Napěťový offset

Dalším významným parametrem se u zesilovačů stává jejich vstupní napěťový offset. Toto chybové napětí se může pohybovat od mikrovoltů až do řádu milivoltů a bude značně závislé na tom, jak dobře máme přizpůsobeny vstupní tranzistory. Bipolární tranzistory nabízí již ze své podstaty lepší spojení a pro danou architekturu tudíž i nižší napěťový offset. Zmiňovaný vlastní nesoulad pak někteří výrobci kompenzují pomocí laserového trimování, pojistek, a dokonce též pamětí EPROM. Parametry zesilovače lze takovými postupy výrazně zlepšit, a to bez ohledu na konkrétní technologii. Lepší přizpůsobení rovněž povede k menšímu ujíždění napěťového offsetu s teplotou, což bude v řadě aplikací také velmi důležité.

Cena a způsob pouzdření

Historicky je zkratka CMOS spojována s cenově dostupnější technologií, a to zejména kvůli tradičně menším nákladům na wafery v kontextu velkoobjemové výroby logických obvodů. Navzdory nižší ceně waferů však tranzistory CMOS pro danou proudovou zatížitelnost zaberou větší plochu než v případě bipolárních prvků, takže spotřeba křemíku poroste. Ačkoli tedy může wafer vycházet levněji, vejde se na něj méně čipů a ve výsledku se tak cenová výhoda anuluje. Cenové rozdíly obou technologií proto nemusí být nijak zásadní. Ale nejen to, rozměrově větší polovodičové řešení bude výrobci svazovat ruce také ve věci pouzdření. V době, kdy jsou vývojáři pod neustálým tlakem, aby ve stále menším prostoru a s lepšími výsledky zajistili ještě větší počet funkcí, nelze něco takového brát na lehkou váhu. Odpovědí se tak stává několik variant, např. BGA (Ball Grid Array) a bezvývodová pouzdra.

Vstupní klidový proud

Všechny zesilovače bude možné popsat parametrem zvaným vstupní klidový proud. Jedná se o proud tekoucí do vstupů zesilovače, dotýkající se vstupních tranzistorů, který lze sice vnímat jako parazitní, ale protože se pohybujeme na vstupech OZ, budeme jej označovat jako „bias“. Svou velikostí zasahuje od pikoampérů až do stovek nanoampérů. Vstupní část zesilovačů s CMOS mívá v porovnání s obvody vybavenými na stejném místě bipolárními tranzistory obvykle nižší klidové proudy, typicky okolo 1 pA, zatímco bipolární prvky mohou být řádově ještě výše. Ze zmíněného klidového proudu se pak na vstupním odporu konkrétního zapojení stává napětí, které nakonec na výstupu zesilovače vnáší napěťovou chybu. Méně zde znamená lépe a z tohoto pohledu budou mít CMOSové součástky jasně navrch.

Co tedy vybereme?

To je vážně otázka, kterou jsme se zabývali již v minulosti a nic nenasvědčuje tomu, že by se o ni mělo v budoucnu přestat diskutovat. Bipolární zesilovače zde sice máme pevně zakotvené, nicméně některé neodmyslitelné výhody nabídnou též obvody s CMOS. Postupy označované jako BiCMOS jsou v této oblasti relativně nové, ale s touto hybridní technologií zase dostáváme to nejlepší z obou světů, navíc s vynikajícími vlastnostmi a cenou, která je stále více konkurenceschopná. Takže na konci odpovědi na otázku, která varianta bude pro zesilovače tou lepší, ještě doplníme „přijde na to...“

Potřebujeme totiž zhodnotit funkci zesilovače v našem návrhu a poté stanovit, které parametry budou těmi nejdůležitějšími. S nějakým univerzálním zesilovačem nebo konkrétní technologií, která by se hodila pro každou aplikaci s operačními zesilovači (a že jich není málo), však nepočítejme. Od výrobců se k nám proto bude i nadále dostávat spousta obvodů s různými technologiemi a je pouze a jen na nás, kterou do svého návrhu vybereme jako tu nejlepší. V případě obvodů od společnosti Microchip se můžeme inspirovat přímo na jejich stránkách.