[Перевод] Такой же, как на Луне: обратный инжиниринг модуля гибридного операционного усилителя
Недавно мне в руки попался таинственный электронный компонент в металлическом корпусе. От обычной интегральной схемы отличался внешним видом — был более плоский и по габаритнее. Что это такое и с чем его едят, стало понятно, после вскрытия и реверс-инжиниринга схемы. Передо мной был операционный усилитель, созданный для НАСА в 1960-х годах с использованием гибридной технологии. Оказывается, в разработке этого компонента принимали участие несколько значимых людей в истории развития полупроводников, а один из таких операционных усилителей находится на Луне.
Чтобы разобраться с принципом работы данного компонента, мне пришлось спилить верхнюю часть металлического корпуса при помощи ювелирной пилы, внутри оказалась электрическая схема. Интегральная схема как такова отсутствовала, внутри находился крупный гибридный модуль, собранный из отдельных крошечных транзисторов на керамической подложке. На фото ниже — на керамической подложке сероватые электропроводные дорожки, что похоже на печатную плату. Отдельные кремниевые транзисторы (блестящие квадратики поменьше) прикреплены к дорожкам на подложке. Тонкие золотые проводки связывают компоненты между собой и подключают цепь к внешним контактам.
Гибридная интегральная схема широко использовалась в 1960-х годах, до того как ее заменили на более сложные интегральные схемы. (Например, популярные компьютеры IBM System / 360 (1964 год) были построены из гибридных модулей, а не интегральных схем). Хотя операционные усилители на интегральных микросхемах и были выпущены в 1963 году, до 80-х гибриды еще оставались на пике популярности.
Сначала я не смог идентифицировать эту часть, поэтому я попросил эксперта по операционным усилителям Уолта Юнга о помощи. Цифры на упаковке указывали на компанию Amelco. Это и помогло мне отследить историю «секретного» операционного усилителя 2404BG, производимого ныне забытой Amelco. Деталь была продана в 1969 году за 58,50 долларов (что эквивалентно примерно 300 долларам сегодня). Для сравнения, сейчас вы можете приобрести современный четырехканальный операционный усилитель с JFET входом менее чем за 25 центов.
Немного из истории операционных усилителей
Операционный усилитель один из самых популярных компонентов аналоговых схем, такую популярность ему обеспечивают его гибкость и универсальность. Операционный усилитель принимает два входных напряжения, считывает их, умножает разницу на огромное значение (100 000 или более) и выводит результат в виде напряжения. ОУ изначально был спроектирован для выполнения математических операций, путем использования напряжения как аналоговой величины.
На практике цепь обратной связи заставляет входы быть почти равными; в зависимости от схемы обратной связи операционный усилитель может использоваться, например, в качестве усилителя, фильтра, интегратора, дифференциатора или буфера. Ключевым фигурантом в начале пути разработки операционных усилителей был Джордж Филбрик. Он был основателем одноименной компании George A. Philbrick Researches.
Успешная коммерческая история операционного усилителя началась в 1952 году, когда Филбрик представил ОУ K2-W, модуль с двумя лампами, который и принес популярность продукту.
Теперь перейдем к Jean Hoerni — основателю упомянутой выше компании Amelco. Предысторией можно считать произошедшее в 1957 году событие в жизни Кремниевой долины. 8 молодых ученых, известных как «предательская восьмерка», покинули Shockley Semiconductor. После ухода они объединились с бизнесменом Шерманом Фэйрчайлдом и основали компанию Fairchild Semiconductor, это привело к возникновению десятков стартапов и росту самой долины. Двое из предательской восьмерки Moore и Noyce позже покинули Fairchild и основали Intel.
Физик Jean Hoerni (Джин Хорни), из все той же вероломной восьмерки, работал в Fairchild над улучшением транзисторов и добился успеха, превзошедшего все ожидания. В 1959 году он изобрел планарный транзистор, а в 1959 году произвел революцию в производстве полупроводников. Планарная технология это по сути покрытие поверхности кремниевого транзистора тонким слоем окиси кремния (как торт покрывают глазурью).
Интересно, что транзисторы в модуле операционного усилителя (ниже) на вид идентичны оригинальным планарным транзисторам Хорни. Транзисторы 1970-х и более поздних версий выглядят совершенно по-другому, поэтому для меня было немного странно обнаружить оригинальный дизайн Хорни в этом модуле.
npn-транзистор внутри гибридного модуля. Крошечные связующие провода подключены к основанию и эмиттеру, а коллектор находится на нижней стороне
Хорни покинул Fairchild в 1961 году и помог основать компанию под названием Amelco. Компания фокусировалась на разработке полупроводников для использования в космосе, что не составляло прямую конкуренцию Fairchild. Линейные (аналоговые) интегральные схемы были основным продуктом Amelco, поскольку компания создавала операционные усилители для Philbrick (новаторская компания по производству операционных усилителей). Кроме того Amelco производила дискретные транзисторы, используя планарную технологию Хорни. В Amelco Хорни разработал методику построения транзистора типа JFET с использованием своего планарного процесса, эти транзисторы стали одними из самых популярных продуктов Amelco.
Основное преимущество JFET заключается в том, что входной ток на затвор транзистора чрезвычайно мал, а это однозначно является преимуществом для операционных усилителей. Amelco впервые использовала JFET от Хорни в производстве, выпустив высокоэффективный операционный усилитель.
Bob Pease (Боб Пиз) известный дизайнер аналоговых схем, связывает эти пазлы в истории воедино. В 1960-х годах Боб Пиз разработал операционные усилители для Philbrick, в том числе гибридный операционный усилитель FET Q25AH (1965). Amelco выпустила в производство этот ОУ для Philbrick. Боб Пиз посетил компанию для того, чтобы помочь разобраться с некоторыми возникшими проблемами при производстве FET Q25AH. Суть истории: во время своего визита Боб Пиз вступил в дискуссию с инженерами Amelco, темой обсуждения стали требования НАСА к выпуску нового маломощного и создающего мало шума усилителя. Во время перерыва на кофе Боб Пиз успел разработать операционный усилитель, который отвечал строгим требованиям НАСА. Этот операционный усилитель использовался в сейсмическом исследовании, Аполлон 12 оставил ОУ на Луне в 1969 году, поэтому сейчас на небесном теле присутствует один из этих операционных усилителей. Amelco продавала его как 2401BG.
Что касается 2404BG, который я разобрал, его схема очень похожа на дизайн 2401BG от Боба Пиза, поэтому я подозреваю, что он спроектировал эти два продукта. Операционному усилителю 2404BG также посчастливилось добраться до Луны; его использовали в источнике высокого напряжения во время изучения состава лунной атмосферы (LACE). LACE — масс-спектрометр, оставленный на Луне во время третьей Джей-миссии «Аполлон-17» в 1972 году. (При помощи LACE было установлено, что, хотя на Луне почти отсутствует атмосфера, в ней есть некоторое количество гелия, аргона и, возможно, неона, аммиака, метана и углекислого газа).
В 1966 году Amelco объединилась с Philbrick, образовав таким образом Teledyne Philbrick Nexus, которая в конечном итоге была приобретена Microchip Technology в 2000 году. Среди прочего, Microchip производит микроконтроллеры AVR, используемые в Arduino.
Внутри гибридного операционного усилителя
В этом разделе я опишу конструкцию и схему операционного усилителя 2404BG более подробно. На фото ниже — крупным планом изображены керамическая подложка и компоненты на ней. Серые пропечатанные линии на керамике — это электропроводные дорожки цепи. Квадраты (большинство из них) — n-p-n и p-n-p транзисторы, каждый на отдельной кремниевой матрице. Внизу кристалла — коллектор транзистора, соединенный с керамической дорожкой. Крошечные золотые провода прикрепляются к эмиттеру и базе транзистора, подключая его к цепи. Два прямоугольных транзистора в нижнем правом углу — это JFETы (полевые транзисторы с управляющим PN-переходом). Большой квадрат посередине — набор резисторов, еще один резистор находится в верхнем правом углу. Обратите внимание, в отличие от интегральных микросхем, гибридные модули требуют большого количества дорогостоящих механических процессов — обработки, монтажа проводки, подключения отдельных компонентов.
Я воспроизвел схему модуля операционного усилителя, приведенную ниже. Эта схема выглядит довольно просто, поскольку операционные усилители работают примерно с половиной компонентов классического ОУ 741. Входы буферизируются JFETами (зеленый). Дифференциальная пара (синяя) усиливает вход, направляя ток по одной стороне пары или по другой. Источник тока (красный) генерирует «крошечный» постоянный ток для дифференциальной пары используя токовое зеркало. Двухкаскадный усилитель (оранжевый) обеспечивает дополнительное усиление. Выходные транзисторы (фиолетового цвета) работают в АВ классе. Остальные компоненты (неокрашенные) подают напряжение смещения выходных транзисторов. Внешние конденсаторы на контактах (8 и 9) предотвращают ОУ от колебания.
Большинство резисторов размещены на одном кристалле в середине модуля; этот кристалл имеет диаметр 1,7 мм (1/16 »). Зигзагообразные формы представляют собой тонкопленочные резисторы, на основе соединений тантала, нанесенные на покрытую оксидным слоем кремниевую пластину. (Одним из преимуществ гибридных схем были более качественные резисторы). Сопротивление пропорционально длине, поэтому извилистые формы позволяли разместить на матрице больше резисторов. Вокруг матрицы расположены металлические подложки, соединительные провода, прикрепленные к контактам, соединяли резисторы с другими частями схемы. Обратите внимание на маленький кружок слева около верхней правой подложки: одним из нововведений в Amelco обозначение «цели», для того чтобы выровнять маски, используемые для разных слоев чипа.
Для цепи источника тока требовался высокоомный резистор, поэтому в нем использовалась отдельная резисторная матрица (ниже). В этом резисторе использовалась длинная, более тонкая дорожка, что вызывало более высокое сопротивление, чем в резисторе на предыдущем кристалле.
Размер кристалла для этого резистора составляет 0,8 мм.
На фото ниже показан полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, который используется в операционном усилителе. Металлические пальцы подключаются к областям истока и стока. Затвор транзистора подключен снизу. Такая конструкция почти идентична первому планарному JFET, изобретенному Хорни в 1963 году. Изначально было сложно производить высококачественные JFET на интегральной схеме, что популяризовало производство гибридных JFET операционных усилителей. Лишь в 1974 году инженеры National Semiconductor разработали способ ионной имплантации для изготовления высококачественных полевых транзисторов JFET с управляющим pn-переходом. Метод получил название «BIFET» и использовался для создания более совершенных интегральных микросхем операционных усилителей.
На приведенной ниже диаграмме сравнивается структура n-p-n и p-n-p транзисторов в модуле с фотографиями вверху и диаграммой сечения ниже.
Полевой транзистор внутри модуля. Размер матрицы составляет 0,6 × 0,3 мм
С чего начинается транзистор? С квадратного кристалла кремния, который легирован примесями, что образовывает n и р области (в зависимости от вида проводимости) с различными характеристиками. Под микроскопом видно, что легированные кремнием n и p зоны различаются по цвету. Сверху виден блестящий металлический слой с одним электрическим соединением, прикрепленным к центральному эмиттеру. Второе электрическое соединение прикреплено к основной области, вокруг эмиттера; благодаря каплевидной форме для крепления основного соединения отведено больше места.
Снизу матрицы — коллектор, который соединяется с контактами на керамической подложке. Транзистор n-p-n следует прямой плоской структуре. Транзистору p-n-p, однако, требовалось дополнительное проводящее кольцо для работы операционного усилителя при более высоких напряжениях.
Сравнение n-p-n и p-n-p транзисторов в модуле
Заключение
Этот случайно вскрытый мною компонент, оказался более интересным, чем я ожидал. В нем переплетены появление первых операционных усилителей Philbrick, разработка аналоговой схемы Боба Пиза, история забытой ныне Amelco, научные эксперименты НАСА на Луне. Транзисторы внутри этого модуля были построены с использованием оригинальных планарных конструкций Хорни, что позволило взглянуть на развитие самого планарного процесса, который в свое время произвел революцию в мире полупроводников. Наконец, этот операционный усилитель продемонстрировал возможности гибридной технологии, которая почти полностью отсутствует в интегральных схемах.
Примечания и ссылки
1. Модуль был упакован в стандартный 12-контактный корпус TO-8. Большинство интегральных микросхем находятся в металлическом корпусе TO-5, но для более крупных гибридных схем и места требуется больше.
2.»15818» на упаковке — это код CAGE, идентификатор НАТО, используемый для отслеживания поставщиков. Первоначально 15818 идентифицировал компанию Amelko; из-за слияния компаний этот номер теперь принадлежит TelCom Semiconductor.
3. В книге «История полупроводниковой техники» очень подробно рассматриваются истории различных полупроводниковых компаний и вовлеченных в эту отрасль людей. Подробная история операционных усилителей, включая разработку ОУ JFET в 1970-х годах — «История операционных усилителей» Уолта Юнга.
4. Боб Пиз стал автором популярной рубрики «Pease Porridge» об аналоговых схемах. Он также написал такие книги, как «Устранение неисправностей аналоговых цепей».
5. Статья Боба Пиза «Что это за штука такая — 2401BG?» (стр. 54) демонстрирует схему 2401BG (ниже). Сравнивая схемы, я пришел к выводу, что 2401BG очень похож на 2404BG, который я исследовал. (Чтобы упростить сравнение, я раскрасил функциональные блоки в соответствии со схемой 2404BG).
Основным отличием тут является выходной каскад: 2401BG получает выход непосредственно от второй пары, а у 2404BG класс работы выходного каскада усилителя — AB. 2401BG имеет отдельное токовое зеркало для баз ввода n-p-n транзисторов.
6. После того, как я восстановил схему операционного усилителя, мне удалось найти книгу за 1968 год со схемой гибридного операционного усилителя Amelco. Эти две схемы практически идентичны, за исключением того, что в изображенной в книге схеме присутствуют два конденсатора, которые в 2404BG являются внешними.
Изображение на фотографии гибридного операционного усилителя в книге отличается от исследуемого мною 2404BG. В книге не указан номер детали (что как минимум странно), поэтому я подозреваю, что это была лишь версия 2404BG, находящаяся в стадии разработки.
7. «Jack Haenichen oral history/ Устная история Джека Хэнихэна» и патент 3226611
Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
VPS (KVM) E5–2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до лета бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.
Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5–2650v4 128GB DDR4 6×480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
