1. februarja, 2020

CMOS v primerjavi z bipolarnimi operacijskimi ojačevalniki: kaj je boljše za moje potrebe?

microchip 300x74 - CMOS v primerjavi z bipolarnimi operacijskimi ojačevalniki: kaj je boljše za moje potrebe?Microchip Technology Inc
Avtor: Kevin Tretter
2020_282_28

Današnji načrtovalci sistemov imajo res veliko možnosti pri izbiri operacijskih ojačevalnikov. Trije največji proizvajalci ojačevalnikov imajo skupno več kot 1600 izdelkov, med katerimi lahko izbirajo, vendar pri tem niso všteti posebni ojačevalniki. Kako bi lahko razvrstili tako veliko število naprav? Eden od načinov, da skrčite možnost izbire je, da izberete pravo tehnologijo procesa njihove izdelave. Večina proizvajalcev operacijski ojačevalnik jasno označuje kot CMOS, bipolarni ali celo BiCMOS, toda kaj to pomeni glede na dejanske potrebe v neki aplikaciji?

Poraba
CMOS je znan po nizki porabi energije, saj skozi tranzistorje teče tok samo med preklopi stanj. Vendar pa ta prednost majhne porabe velja le za počasnejše operacijske ojačevalnike. S povečevanjem pasovne širine se tok CMOS ojačevalnika drastično poveča in kmalu postane poraba celo večja, kot pri primerljivem bipolarnem ojačevalniku. Zaradi eksponentno naraščajočega toka (s čimer zagotovimo, da lahko CMOS dosega visoke hitrosti), so zato za aplikacije z visoko pasovno širino bipolarni operacijski ojačevalniki celo boljša izbira. Za aplikacije z nižjo pasovno širino lahko CMOS ojačevalniki še vedno zagotavljajo prednost pri porabi energije za svoje delovanje.

Nagnjenost k motnjam
282 28 01 300x221 - CMOS v primerjavi z bipolarnimi operacijskimi ojačevalniki: kaj je boljše za moje potrebe?Glede na motnje med preklopi ali 1/f motnje imajo CMOS tranzistorji slabše nizkofrekvenčne karakteristike glede motenj kot bipolarni tranzistorji. Pri nizkih frekvencah nastanejo te motnje predvsem zaradi nepravilnosti na medsebojnih povezavah znotraj čipa in zaradi prednastavljenih delovnih tokov znotraj tranzistorjev. Pri bipolarnem tranzistorju so medsebojne povezave izvedene znotraj silicija, pri CMOS tranzistorju pa te povezave potekajo čisto blizu površine, zaradi česar nanje zelo vplivajo vse morebitne napake na površini silicija, to pa poveča motnje pri nizkih frekvencah. Pri višjih frekvencah je delež motenj v zvezi z 1/f skoraj zanemarljiv, saj začne prevladovati tako imenovani beli šum iz ostalih virov. CMOS tranzistorji imajo nižjo transkonduktivnost glede na bipolarne tranzistorje podobne velikosti, kar ima za posledico večje širokopasovne motnje. Tako lahko na splošno rečemo, da imajo bipolarni ojačevalniki prednost pred tistimi, ki so izdelani s CMOS tehnologijo, ko gre za motnje med delovanjem.

Napetost napake
Druga pomembna specifikacija ojačevalnika je vhodna prednapetost. Ta napetost napake je lahko različna in se nahaja v širokem razponu, vse od mikrovoltov do milivoltov, je pa zelo odvisna od tega, kako dobro se med sabo ujemajo vhodni tranzistorji. Bipolarni tranzistorji sami po sebi ponujajo boljše ujemanje, kar za dano arhitekturo pomeni nižje napetosti napake. Nekateri proizvajalci to prirojeno neusklajenost kompenzirajo z uporabo laserskega obrezovanja, varovalk ali celo EPROM-a. Te tehnike lahko znatno izboljšajo delovanje ojačevalnika, ne glede na izbrano tehnologijo izdelave. Zaradi boljšega ujemanja se doseže tudi manjši odmik napetosti napake v odvisnosti od temperature, kar je v številnih aplikacijah zelo pomembno.

Cena / embalaža
V preteklosti je bila CMOS tehnologija priznana kot cenejša. Razlog za to so predvsem tradicionalno nižji stroški rezin silicija zaradi masivne proizvodnje velikih količin CMOS logičnih čipov. Kljub nižjim stroškom rezin pa pri enaki tokovni zmogljivosti CMOS tranzistorji zavzamejo več površine na tabletki silicija kot bipolarni tranzistorji, kar pomeni večje tabletke silicija. Torej, čeprav so stroški rezin nižji, dobimo iz ene rezine manjše število tablet, s čimer je pravzaprav izničena prednost nizke cene rezine. Na koncu je struktura stroškov teh dveh procesnih tehnologij zelo podobna. Poleg tega večja tabletka silicija omejuje tudi možnosti proizvajalca pri vgradnji v različna ohišja. To je lahko zelo pomembna omejitev, saj so načrtovalci elektronskih sistemov nenehno pred izzivi v zvezi z zahtevami po večji zmogljivosti in razširjeni funkcionalnosti na vse manjšem in manjšem prostoru. Številna ohišja, na primer tista s kontaktnimi kroglicami (Ball Grid Arrays, BGA) in ohišja brez fizičnih priključkov pomagajo reševati načrtovalce iz zadrege tudi v najbolj kritičnih situacijah.

Vhodni tok
282 28 02 300x226 - CMOS v primerjavi z bipolarnimi operacijskimi ojačevalniki: kaj je boljše za moje potrebe?Pri vseh operacijskih ojačevalnikih imamo naveden podatek, ki ga imenujemo vhodni tok. To je količina toka, ki teče v vhode ojačevalnikov, da se vzdržuje delovna točka vhodnih tranzistorjev. Ta tok lahko razumemo kot tok, ki nekam odteka, označujemo pa ga kot tok delovne točke, kadar teče na vhodih ojačevalnikov. Ta tok se lahko giblje od nekaj pikoamperov do sto nanoamperov. Ojačevalniki s CMOS vhodno stopnjo imajo običajno manj tega toka v primerjavi z ojačevalnikom z bipolarnimi vhodnimi tranzistorji, običajno okoli 1 pA, medtem ko je pri bipolarnih tranzistorjih lahko kar za razred višji. Ta tok se med delovanjem operacijskega ojačevalnika pretvori v napetost na vhodni upornosti celotnega vezja, kar se odraža z napetostjo napake na izhodu ojačevalnika. Velja pravilo, da si želimo čim manjši vhodni tok, zato imajo tu operacijski ojačevalniki v CMOS tehnologiji izrazito prednost.

Katera tehnologija je torej boljša za operacijske ojačevalnike?
To je vprašanje, o katerem se je v preteklosti že veliko razpravljalo in lahko pričakujemo, da se bodo razprave na to temo nadaljevale tudi v prihodnosti. Bipolarni ojačevalniki so se trdno zasidrali v zgodovini in kljub neprestanemu napredku v razvoju elektronike uspeli obdržati svoj sloves vse do današnjih dni, vendar pa operacijski ojačevalniki izdelani v CMOS tehnologiji ponujajo nekatere prednosti, ki jih ne moremo niti ne smemo spregledati. BiCMOS tehnologija je relativno nova na tem področju, vendar pa ta hibridna tehnologija veliko obeta, saj najbolje izkorišča najboljše lastnosti obeh svetov in zagotavlja vrhunsko zmogljivost s ceno, ki postaja vse bolj konkurenčna.

Na koncu vsega tega razmišljanja bi bilo prav, da končno poskusimo izluščiti odgovor na vprašanje: “Katera tehnologija je boljša za operacijske ojačevalnike?” Odgovor ne more biti drugačen kot: “Odvisno!” Sami morate oceniti funkcijo ojačevalnika v vašem sistemu in nato ugotoviti, katere karakteristike so za izvajanje teh funkcij najbolj kritične. Ni univerzalnega operacijskega ojačevalnika ali procesne tehnologije, ki bi pokrivala vse številne aplikacije, v katerih nastopa operacijski ojačevalnik. Zato bodo proizvajalci še naprej zagotavljali široko paleto ojačevalnikov, izdelanih z različnimi procesnimi tehnologijami. Sami se morate odločiti, katera bi bila najboljša izbira za prav vsako posamezno aplikacijo. Vabim vas, da obiščite Microchipov center za načrtovanje z operacijskimi ojačevalniki in spoznate ponudbo naših izdelkov v ta namen.

Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.

www.microchip.com
Tags: