オペアンプがMOSFETでBJTを使用するのはなぜですか？

理想的には、オペアンプの入力インピーダンスは無限であると言われてきました。そのため、LM741のトランジスタレベルの回路図を見ていたとき、MOSFETではなくBJTを使用していたときに混乱しました。

BJTを使用すると、入力ピンに電流が流れませんか？

741は古いジャンク品で、主に基本的な電子機器を安価で教えるために使用されます。どこかで741個が集められたら、地球上のすべての人に6個または8個を与えるのに十分であると読んだことを覚えているようです。

最新のオペアンプはいくつかのカテゴリに分類されます。

1. 汎用-これらのオペアンプは非常に高速ではなく、非理想的な特性（ナノアンペアのバイアス電流）が悪く、ドリフトがあり、メガオームの入力インピーダンスがあり、ほとんどコストはかかりません。741はこのカテゴリに分類されます。

2. FET入力-これらは少し高速で、理想的でない特性（ピコアンペアでのバイアス電流）が大幅に改善され、ドリフトが非常に少なく、入力インピーダンス（ギガオーム）が非常に高いですが、数ドルかかる場合があります。

3. CMOS-CMOSオペアンプは低速ですが、理想的ではない優れた特性（FEMTOAのバイアス電流）、非常に高い入力インピーダンス（TERAohms）、汎用オペアンプと同程度のドリフトがあり、数ドルかかる場合があります。これは、レールのミリボルト以内で出力を得ることができるタイプのオペアンプですが、レール電圧は制限されています。

4. チョッパー安定化-これは、CMOSオペアンプのもう1つの形式です。ドリフトは非常に小さく、オフセットは非常に低くなっています。詳細については、この記事をご覧ください

RF周波数を処理できる、または高出力電流を処理できるオペアンプは他にもありますが、これらのカテゴリに該当するものではありません。

ご覧のとおり、各タイプのオペアンプには、理想的ではない異なるDC特性と入力インピーダンスがあります。オペアンプの入力に流れる電流の量は、入力インピーダンスに依存します。最新のオペアンプのほとんどでは、これらは非常に小さな電流であり、ほとんどのアプリケーションでは無視できると考えられます。使用するオペアンプのタイプは、速度、コスト、温度範囲、および精度の問題を考慮した設計上の考慮事項です。

741やLM324などのバイポーラオペアンプには、FETオペアンプとは異なるトレードオフがあります。一つには、FET IC技術がバイポーラIC技術に比べてそれほど進歩していないときに、何年も前に設計されました。741ジャンクを呼び出すのは不公平です。当時は素晴らしいものでした。その密接な派生品であるLM324は、現在も量産中であるため、明らかに多くの人がそれが彼らの要求に対する正しいトレードオフだと考えています。

LM324の重要な利点の1つは価格です。多くの場合、非常に厳しい要件のないオペアンプが必要です。1 MHzのゲイン×帯域幅積、バイアス電流、およびオフセットの数mVがすべて十分であれば、他のすべてはただの高価なジャンクです。

一般に、同じチップ面積のバイポーラを使用すると、オフセット電圧を数mVまで下げるのが少し簡単になります。電流駆動能力と供給電圧範囲にも利点があります。もちろん、FETは非常に高い入力インピーダンスを持っています。現在、これらの区別はよりぼやけています。オフセット電圧がmVを大幅に下回るFET入力オペアンプを入手できますが、その価格をLM324と比較できます。

TL07xやTL08xのような初期のFETオペアンプには、両端に非常に高い入力同相範囲のヘッドルームがあるなど、他の問題がありました。最近では、FETオペアンプは入力と出力の両方でレールツーレールを簡単に作成できますが、最も安価なMCPxxxxでさえ古いスタンバイLM324と価格を比較します。LM324が動作できる電源電圧範囲にも注意してください。これは、今日のほとんどのFETオペアンプにとって難しいトリックです。

すべてがトレードオフです。

MOSFETは、多くの高精度アンプアプリケーションにとってノイズが多すぎます。低インピーダンスのソースを使用する場合、利用可能なモノリシックアンプの中で最も低いノイズを得るには、1.1nV / sqrt（Hz）のホワイトノイズスペクトル密度を持つLT1028などのバイポーラアンプに行く必要があります。（それで十分でない場合は、個別の設計でより良い結果が得られます）。

これと対照的に、MCP601などの一般的なMOSFET入力アンプは、通常29nV / sqrt（Hz）であり、電力に関しては約700倍劣っています。

オーディオマニアのオーディオ処理を行う場合、世界で最も優れたアンプは、Texas Instruments（旧バーブラウン）バイポーラパーツです。入力バイアス電流は多くありますが、歪みはほとんどありません。

MOSFETアンプも+/- 15V（高精度計測の別の頻繁な要件）などの高い電源電圧で動作することはほとんどなく、もしそうであれば、腕と脚にコストがかかる傾向があります。特別な高電圧CMOSプロセスラインで作成され、デジタルスタッフとは混同されません。

741は1960年代半ばに設計されたため、ほぼ50年前に設計されました。それは、初期のオペアンプ（uA709など）よりもいくらか改善されましたが、かなり長いです。由緒あるJRC 4558などのデュアルバージョンは、オーディオアプリケーションで何十年も使用されています。Olinが指摘しているように、LM324は類似しています（出力ステージは、「単一供給」にするために大きな違いがあります）が、1台のアンプにつきわずか1つまたは2つしかありません。

LM324は別として、他のオペアンプが741ほど広く使用されているとは思いません（おそらくJFETアンプのいくつかは近くにあります）。独自の長所と短所。Vive ladifférence！

基本的に、BJTの相互コンダクタンスはMOSFETの場合よりもはるかに高いことを指摘する価値があります。すなわち、電流は、BJTの場合、印加電圧の指数関数で変化しますが、MOSFETの電圧の2乗でのみ変化します。

理想的には、すべてのシステムがBJTとMOSの組み合わせになりますが、それは世界の仕組みではありません。したがって、ディスクリートシステムの場合、BJTが重要です。チップ上の統合システムでは、MOSが重要です。

この質問は何度も回答されていますが、JFET入力ステージについて言及する必要があると思います。一部のオペアンプ（TL074やLF357など）では、JFETとBJTの混合を使用して、バイポーラのみの設計よりもいくつかの点で優れた特性を実現しています。（JFETは、短時間の過負荷と静電気放電の際の回復力が大きいため、MOSFETよりも優先されます。）

これらのオペアンプは通常、入力差動アンプ段にJFETを使用しますが、他の回路のほとんどは答えが他の人から与えられた理由でバイポーラです。入力段にFETを使用する利点は、まさにあなたの言うとおりです。入力インピーダンスがはるかに高いです。さまざまなJFET入力オペアンプの仕様を見ると、入力バイアス電流が10ピコアンペア未満のものがあります。たとえば、AD549Lを見ると、60以下の入力バイアスがあります。フェムトアンペア。比較のための標準的なバイポーラオペアンプの入力バイアス電流は、通常、数ナノアンペア（OP07Eなど）、場合によってはマイクロアンペアまたは2アンペア（有名なLM741など）です。同様に、同じ理由で、JFET入力オペアンプの入力インピーダンスは、バイポーラオペアンプの入力インピーダンスよりも5〜6桁大きくなります。

ただし、トレードオフがあります。JFET入力オペアンプは、入力電圧ノイズが大幅に大きくなる傾向があります。上記のバイポーラOP07Eは、ピークツーピークで0.6マイクロボルト未満の低周波ノイズと、ルートヘルツあたり10ナノボルトのオーダーの高周波ノイズ密度を備えていますが、AD549の入力バイアスは非常に低いため、ピークツーピークで最大6マイクロボルトの周波数ノイズとルートヘルツあたり最大90ナノボルトの高周波ノイズ密度（ただし、1 kHzを超えると約35 nV /√Hzに低下します）。

人生のすべてと同様に、あなたのすべての問題を解決する万能薬はありません。どんなものであれ、あなたのニーズを確実に満たすことができるオペアンプはありません。超低バイアス電流または非常に高い入力インピーダンスが必要な場合は、JFET入力オペアンプを使用してください。低ノイズまたは低コストが必要な場合は、バイポーラオペアンプを使用してください。どちらも提供できないものが必要な場合は、もっとエキゾチックなものを調べてください。おそらく、あなたはそこのどこかにそれを見つけるでしょう。