Неотдавна в ръцете ми попадна тайнствен електронен компонент с метален корпус. Външният вид на тази интегрална схема бе по-различен – по-плоска и по-голяма от обичайното. Пред мен бе операционният усилвател, създаден от НАСА през 1960-те години с използването на хибридна технология. Оказа се, че в разработването на този компонент са взели участие няколко твърде значими хора от историята на развитието на полупроводниците, а един от тези операционни усилватели сега се намира на Луната.
За да разбера как работи този компонент, се наложи да махна капачката с помощта на фина пила. Оказа че това не е точно интегрална схема, а голям хибриден модул от отделни малки транзистори, поставени върху керамична подложка, подобна на печатна платка. Отделните силициеви транзистори (по-малките блестящи квадратчета) са запоени директно върху пътечките на подложката. Използват се тънки проводници от злато, съединяващи компонентите и външните крачета.
Подобен вид хибридни интегрални схеми широко се използваха до 1960-та година, когато бяха заменени от по-сложни интегрални схеми. Така например, популярните изчислителни машини IBM System / 360 от 1964 година бяха изградени от подобни хибридни модули, а не от интегрални схеми. Въпреки че интегралните операционни усилватели се появиха през 1963 година, до 80-те години на миналия век хибридните компоненти бяха изключително популярни.
В началото не можах да идентифицирам компонента и помолих за помощ експерта по операционни усилватели Уолт Юнг. Цифрите на капачката показваха, че интегралната схема е произведена от компанията Amelco. Именно това ми помогна да проследя историята на „секретния“ операционен усилвател 2404BG, произведен от забравената към днешен ден компания Amelco. Компонентът е бил продаден през 1969 година за $58,50 (което е еквивалентно на около $300 в наши дни). За сравнение, днес можете да си закупите съвременен четириканален операционен усилвател с JFET транзистори на входа за по-малко от 25 цента.
Накратко от историята на операционните усилватели
Операционният усилвател е един от най-известните компоненти на аналоговата техника, като неговата популярност се дължи на неговите гъвкавост и универсалност. Операционният усилвател има два входа, като подадените на тях напрежения могат да бъдат събирани, изваждани и умножавани, а резултатът да се получава във вид на напрежение. По принцип, първоначално ОУ е проектиран за извършването на математически операции, в които напрежението се използва като аналогова величина.
Използването на обратната връзка променя нещата, понеже с нейна помощ операционният усилвател може да се използва като аналогов усилвател, филтър, интегратор, диференциатор или буфер. Ключова фигура в разработването на операционните усилватели е Джордж Филбрик. Той е и основателят на едноименната компания George A. Philbrick Researches.
Успешната комерсиална история на операционния усилвател започва през 1952 година, когато Филбрик представя ОУ K2-W, модул с две лампи, чрез който продуктът става популярен.
Сега да преминем към Джийн Хърни (Jean Hoerni), основателят на спомената по-горе компания Amelco. За предистория на това може да се счита важното за Силициевата долина събитие от 1957 година. Осем млади учени известни като „предателската осморка“ (на други места „осмината изменници“), напускат Shockley Semiconductor, обединяват се с бизнесмена Шърман Феърчайлд и основават компанията Fairchild Semiconductor. Това води до появата на десетки стартъпи и ръста на Долината. По-късно, двама от предателската осморка – Moore и Noyce напускат Fairchild Semiconductor и основават Intel.
Физикът Джийн Хърни, също от тази вероломна осморка, работи във Fairchild върху подобряването на транзисторите и постига грандиозен успех. През 1959 година той изобретява планарния транзистор, което води до революция в производството на полупроводникови компоненти.
Интересно е, че показаните в изображението по-долу транзистори са именно оригиналните планарни транзистори на Хърни. Транзисторите след 1970-та година изглеждат съвсем различно и за мен бе твърде интересно да видя оригиналния дизайн на Хърни в тази интегрална схема.
Хърни напуска Fairchild през 1961 година и се включва в основаването на Amelco. Компанията се фокусира предимно върху производството на полупроводници за космоса и не е директен конкурент на Fairchild. Линейните (аналогови) интегрални схеми са основният продукт на Amelco, като компанията произвежда операционни усилватели предимно за новаторската компания Philbrick. Освен това Amelco масово произвежда и обикновени транзистори с използването на планарната технология на Хърни. Именно в Amelco Хърни разработва технологията за производство на JFET транзистора с помощта на планарния процес. Тези транзистори са едни от най-популярните продукти на Amelco.
Основното преимущество на JFET транзистора е, че входният ток в гейта на транзистора е изключително малък и това е едно от основните преимущества на тези операционни усилватели. Amelco е първата компания, използвала JFET транзистора на Хърни в масовото производство на изключително ефективни полеви транзистори.
Известният дизайнер на аналогови схеми Боб Пийс (Bob Pease) обединява всички тези пъзели и истории. През 1960-те години той разработва операционните усилватели за Philbrick, включително и хибридния ОУ FET Q25AH (1965). По това време Amelco произвежда този ОУ за Philbrick, а Боб Пийс посещава компанията, за да помогне в разрешаването на някои възникнали проблеми. Основната тема са изискванията на НАСА за производството на нов маломощен ОУ с много нисък шум. По време на почивката за кафе Пийс успява да разработи операционен усилвател, който отговаря на критериите на НАСА. Именно този ОУ се използва в сеизмичните измервания при мисията Аполо 12 и през 1969 година остава на Луната заедно с апаратурата. Днес този операционен усилвател се намира на естествения спътник на Земята. А Amelco го е продавала под името 2401BG.
Що се отнася до екземпляра на 2404BG, който аз разглобих, вижда се, че дизайнът е аналогичен на дизайна на операционния усилвател 2401BG на Боб Пийс и подозирам, че именно той е създал тези два продукта. ОУ 2404BG също стига до Луната – той е използван в генератора за високо напрежение за прибора LACE, предназначен за изучаването на лунната атмосфера. LACE е масспектрометър, оставен на Луната по време на мисията Аполо 17 през 1972 година. Именно LACE открива, че в почти липсващата атмосфера на Луната има известни количества хелий, аргон и вероятно неон, амоняк, метан и въглероден диоксид.
През 1966 година Amelco се обединява с Philbrick и по този начин се създава Teledyne Philbrick Nexus, която в крайна сметка е закупена от Microchip Technology през 2000 година. Интересно е, че Microchip произвежда AVR контролерите, използвани в Arduino.
Какво има под капачката?
Снимката по-долу показва конструкцията на 2404BG. Сивите линии на керамиката са проводящите пътечки. Квадратчетата са n-p-n и p-n-p транзистори, всеки на отделна силициева матрица. Най-долната част на кристала на транзисторите е колекторът, съединен директно с пътечката, а малките златни проводници са закрепени към емитера и базата и също водят към пътечките. Двата правоъгълни транзистора в долния десен ъгъл са JFET – полеви транзистори с управляващ PN преход. Големият квадрат в средата е комплект от резистори, като още един резистор е поставен в горния десен ъгъл на подложката. Да обърнем внимание, че за разлика от обикновените интегрални схеми, хибридните ИС изискват използването на редица скъпи механични процеси – обработка, монтаж на проводниците, поставяне на допълнителни компоненти и други.
Схемата на този операционен усилвател не е сложна. Тя е добре позната, понеже това са половината компоненти на класическия ОУ 741. Във входа се използват два JFET-та (със зелен цвят на схемата). Диференциалната двойка (синьо) усилва входния сигнал и разпределя тока към едната страна на двойката или към другата. Генераторът на ток (червено) осигурява поддръжката на постоянен ток за диференциалната двойка чрез токово огледало. Вторият усилвател (оранжево) дава допълнително усилване. Изходните транзистори (виолетово) работят в клас АВ. Останалите компоненти (без цвят) осигуряват напрежението за работните точки на изходните транзистори.
Повечето резистори са разположени в големия квадрат в центъра на подложката с размер на страната 1,7 мм (1/16 инча). Зигзагообразните пътечки са тънкослойни резистори, изградени от тантал и нанесени върху покритата с оксид силициева подложка (едно от преимуществата на хибридните чипове са качествените резистори). Съпротивлението е пропорционално на дължината и зигзагообразните форми дават възможност на тази ограничена площ да се разположат повече резистори. В тази матрица се виждат свързващите проводници, които съединяват резисторите с другите компоненти на интегралната схема. Обърнете внимание на малкия кръг в горната част на тази матрица. Това е едно от нововъведенията на Amelco, използвано за подравняване на маските, използвани в различните слоеве на матрицата.
Във веригата за генератора на ток е необходим високоомен резистор и за него се използва отделна резисторна матрица. Вижда се, че пътечката е по-тънка и много по-дълга, като по този начин се постига по-високото съпротивление на резистора.
Снимката по-долу показва полевия транзистор с управляващ PN преход, два броя от който се използват във входните вериги на операционния усилвател. Металните крачета са свързани със сорса и дрейна на полевия транзистор, като гейтът (в зелено) е свързан отдолу. Този дизайн е почти идентичен с първия планарен JFET транзистор, изобретен от Хърни през 1963 година. Първоначално е било трудно да се вграждат висококачествени JFET в кристала на чипа и затова става популярно производството на хибридни операционни усилватели с JFET транзистори. Едва през 1974 година специалистите на National Semiconductor разработват технологията за имплантиране на йони, чрез която се произвеждат качествени JFET транзистори с управляващ PN преход. Методът получава името BIFET и се използва за създаването на по-сложни и по-качествени интегрални схеми – операционни усилватели.
Биполярният транзистор започва от малко германиево квадратче, легирано с примеси, образуващи p и n областите (в зависимост от проводимостта). Под микроскоп се вижда, че легираните p и n слоеве се различават по цвят. Най-отгоре се вижда блестящ метален слой, от който излиза един проводник. Това е емитерът на биполярния транзистор. Вторият извод до емитера е за базата, която е разположена около емитера. Вижда се, че е направено специално място за капкообразния припой.
Най-долният слой е колекторът, който е прикрепен към керамичната подложка. Биполярният n-p-n е с плоска структура. За p-n-p е необходим още един слой във вид на пръстен, осигуряващ работата при по-високи напрежения.
Този случайно отворен от мен компонент се оказа по-интересен, отколкото очаквах. В него са преплетени историите от появата на първите операционни усилватели Philbrick, създадената от Боб Пийс аналогова схема на операционен усилвател, миналото на вече забравената компания Amelco и научните експерименти на НАСА на Луната. Транзисторите в тази интегрална схема са създадени с помощта на най-първите оригинални конструкции на Хърни и по този начин става възможно да се проследи развитието на самия планарен процес, който навремето извърши революция в света на полупроводниците. И накрая, този операционен усилвател показа възможностите на хибридната технология, която вече почти не се използва в интегралните схеми.
