Същият, като на Луната: реверсивно инженерство на хибриден операционен усилвател
.td_uid_42_5c8a5f7c29c8a_rand.td-a-rec-img{text-align:left}.td_uid_42_5c8a5f7c29c8a_rand.td-a-rec-img img{margin:0 auto 0 0}
Неотдавна в ръцете ми попадна загадъчен електронен съставен елемент с железен корпус. Външният тип на тази интегрална скица бе по-различен – по-плоска и по-голяма от нормалното. Пред мен бе операционният усилвател, основан от НАСА през 1960-те години с потреблението на хибридна технология. Оказа се, че в създаването на този съставен елемент са взели присъединяване няколко прекомерно значими хора от историята на развиването на полупроводниците, а един от тези операционни усилватели в този момент се намира на Луната.
За да схвана по какъв начин работи този съставен елемент, се наложи да махна капачката благодарение на фина пила. Оказа че това не е тъкмо интегрална скица, а огромен хибриден модул от обособени дребни транзистори, сложени върху керамична поставка, сходна на печатна платка. Отделните силициеви транзистори (по-малките блестящи квадратчета) са запоени непосредствено върху пътечките на подложката. Използват се тънки проводници от злато, съединяващи съставените елементи и външните крачета.
Подобен тип хибридни интегрални схеми необятно се използваха до 1960-та година, когато бяха сменени от по-сложни интегрални схеми. Така да вземем за пример, известните изчислителни машини IBM System / 360 от 1964 година бяха построени от сходни хибридни модули, а не от интегрални схеми. Въпреки че интегралните операционни усилватели се появиха през 1963 година, до 80-те години на предишния век хибридните съставни елементи бяха извънредно известни.
.td_uid_41_5c8a5f7c23372_rand.td-a-rec-img{text-align:left}.td_uid_41_5c8a5f7c23372_rand.td-a-rec-img img{margin:0 auto 0 0}
В началото не можах да разпознавам съставния елемент и помолих за помощ специалиста по операционни усилватели Уолт Юнг. Цифрите на капачката посочваха, че интегралната скица е създадена от компанията Amelco . Именно това ми оказа помощ да проследя историята на „секретния“ операционен усилвател 2404BG , създаден от забравената към сегашен ден компания Amelco. Компонентът е бил продаден през 1969 година за $58,50 (което е еквивалентно на към $300 в наши дни). За съпоставяне, през днешния ден можете да си закупите актуален 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 съставни елементи на аналоговата техника, като неговата известност се дължи на неговите еластичност и повсеместност. Операционният усилвател има два входа, като подадените на тях напрежения могат да бъдат събирани, изваждани и умножавани, а резултатът да се получава във тип на напрежение. По принцип, в началото ОУ е планиран за осъществяването на математически интервенции, в които напрежението се употребява като аналогова големина.
Използването на противоположната връзка трансформира нещата, тъй като с нейна помощ операционният усилвател може да се употребява като аналогов усилвател, филтър, интегратор, диференциатор или буфер. Ключова фигура в създаването на операционните усилватели е Джордж Филбрик. Той е и създателят на едноименната компания George A. Philbrick Researches.
Успешната комерсиална история на операционния усилвател стартира през 1952 година, когато Филбрик показва ОУ K2-W , модул с две лампи, посредством който продуктът става известен.
Сега да преминем към Джийн Хърни (Jean Hoerni), създателят на упомената нагоре компания Amelco. За предистория на това може да се смята значимото за Силициевата котловина събитие от 1957 година. Осем млади учени известни като „предателската осморка“ (на други места „осмината изменници“), напущат Shockley Semiconductor, сплотяват се с предприемача Шърман Феърчайлд и основават компанията Fairchild Semiconductor. Това води до появяването на десетки стартъпи и растежа на Долината. По-късно, двама от предателската осморка – Moore и Noyce напущат Fairchild Semiconductor и основават Intel.
Физикът Джийн Хърни, също от тази вероломна осморка, работи във Fairchild върху подобряването на транзисторите и реализира величествен триумф. През 1959 година той изобретява планарния транзистор , което води до гражданска война в производството на полупроводникови съставни елементи.
Интересно е, че показаните в изображението по-долу транзистори са точно истинските планарни транзистори на Хърни. Транзисторите след 1970-та година наподобяват напълно друго и за мен бе прекомерно забавно да видя истинския дизайн на Хърни в тази интегрална скица.
Хърни напуща Fairchild през 1961 година и се включва в основаването на Amelco. Компанията се концентрира най-вече върху производството на полупроводници за космоса и не е пряк съперник на Fairchild. Линейните (аналогови) интегрални схеми са главният артикул на Amelco, като компанията създава операционни усилватели най-вече за новаторската компания Philbrick. Освен това Amelco всеобщо създава и елементарни транзистори с потреблението на планарната технология на Хърни. Именно в Amelco Хърни създава технологията за произвеждане на JFET транзистора благодарение на планарния развой. Тези транзистори са едни от най-популярните артикули на Amelco.
Основното предимство на JFET транзистора е, че входният ток в гейта на транзистора е извънредно дребен и това е едно от главните прерогативи на тези операционни усилватели. Amelco е първата компания, употребила JFET транзистора на Хърни в всеобщото произвеждане на извънредно ефикасни полеви транзистори.
Известният дизайнер на аналогови схеми Боб Пийс (Bob Pease) сплотява всички тези пъзели и истории. През 1960-те години той създава операционните усилватели за Philbrick, в това число и хибридния ОУ FET Q25AH (1965). По това време Amelco създава този ОУ за Philbrick, а Боб Пийс посещава компанията, с цел да помогне в разрешаването на някои зародили проблеми. Основната тематика са условията на НАСА за производството на нов маломощен ОУ с доста невисок звук. По време на почивката за кафе Пийс съумява да създаде операционен усилвател, който дава отговор на критериите на НАСА. Именно този ОУ се употребява в сеизмичните измервания при задачата Аполо 12 и през 1969 година остава на Луната дружно с апаратурата. Днес този операционен усилвател се намира на естествения сателит 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 подобен на дизайна на операционния усилвател 2401BG на Боб Пийс и допускам, че точно той е основал тези два продукта. ОУ 2404BG също стига до Луната – той е употребен в генератора за високо напрежение за прибора LACE, предопределен за проучването на лунната атмосфера. LACE е масспектрометър, оставен на Луната по време на задачата Аполо 17 през 1972 година. Именно LACE открива, че в съвсем изчезналата атмосфера на Луната има известни количества хелий, аргон и евентуално неон, амоняк, метан и въглероден диоксид.
През 1966 година Amelco се сплотява с Philbrick и по този метод се основава Teledyne Philbrick Nexus, която в последна сметка е закупена от Microchip Technology през 2000 година. Интересно е, че Microchip създава AVR контролерите, употребявани в Arduino.
Какво има под капачката?
Снимката по-долу демонстрира структурата на 2404BG. Сивите линии на керамиката са проводящите пътечки. Квадратчетата са n-p-n и p-n-p транзистори, всеки на обособена силициева матрица. Най-долната част на кристала на транзисторите е колекторът, свързан непосредствено с пътечката, а дребните 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 ръководещ PN преход. Големият квадрат в средата е комплект от резистори, като още един резистор е подложен в горния десен ъгъл на подложката. Да обърнем внимание, че за разлика от елементарните интегрални схеми, хибридните ИС изискват потреблението на редица скъпи механични процеси – обработка, монтаж на проводниците, слагане на спомагателни съставни елементи и други.
Схемата на този операционен усилвател не е комплицирана. Тя е добре позната, тъй като това са половината съставни елементи на класическия ОУ 741 . Във входа се употребяват 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) обезпечава поддръжката на непрекъснат ток за диференциалната двойка посредством токово огледало. Вторият усилвател (оранжево) дава в допълнение увеличаване. Изходните транзистори (виолетово) работят в клас АВ. Останалите съставни елементи (без цвят) обезпечават напрежението за работните точки на изходните транзистори.
Повечето резистори са ситуирани в огромния квадрат в центъра на подложката с размер на страната 1,7 мм (1/16 инча). Зигзагообразните пътечки са тънкослойни резистори, построени от тантал и нанесени върху покритата с оксид силициева поставка (едно от преимуществата на хибридните чипове са качествените резистори). Съпротивлението е съразмерно на дължината и зигзагообразните форми дават опция на тази лимитирана повърхност да се разположат повече резистори. В тази матрица се виждат свързващите проводници, които съединяват резисторите с другите съставни елементи на интегралната скица. Обърнете внимание на дребния кръг в горната част на тази матрица. Това е едно от нововъведенията на Amelco, употребявано за подравняване на маските, употребявани в другите пластове на матрицата.
Във веригата за генератора на ток е нужен високоомен резистор и за него се употребява обособена резисторна матрица. Вижда се, че пътечката е по-тънка и доста по-дълга, като по този метод се реализира по-високото противодействие на резистора.
Снимката по-долу демонстрира полевия транзистор с ръководещ PN преход, два броя от който се употребяват във входните вериги на операционния усилвател. Металните крачета са свързани със сорса и дрейна на полевия транзистор, като гейтът (в зелено) е обвързван изпод. Този дизайн е съвсем еднакъв с първия планарен JFET транзистор, изобретен от Хърни през 1963 година. Първоначално е било мъчно да се вграждат висококачествени JFET в кристала на чипа и по тази причина става известно производството на хибридни операционни усилватели с JFET транзистори. Едва през 1974 година експертите на National Semiconductor създават технологията за имплантиране на йони, посредством която се създават качествени JFET транзистори с ръководещ PN преход. Методът получава името BIFET и се употребява за основаването на по-сложни и по-качествени интегрални схеми – операционни усилватели.
Биполярният транзистор стартира от малко германиево квадратче, легирано с примеси, образуващи p и n областите (в взаимозависимост от проводимостта). Под микроскоп се вижда, че легираните p и n пластове се разграничават по цвят. Най-отгоре се вижда ослепителен железен пласт, от който излиза един проводник. Това е емитерът на биполярния транзистор. Вторият извод до емитера е за базата, която е ситуирана към емитера. Вижда се, че е направено особено място за капкообразния припой.
Най-долният пласт е колекторът, който е прикован към керамичната поставка. Биполярният n-p-n е с плоска конструкция. За p-n-p е нужен още един пласт във тип на пръстен, осигуряващ работата при по-високи напрежения.
Този инцидентно отворен от мен съставен елемент се оказа по-интересен, в сравнение с чаках. В него са преплетени историите от появяването на първите операционни усилватели Philbrick, основаната от Боб Пийс аналогова скица на операционен усилвател, предишното на към този момент забравената компания Amelco и научните опити на НАСА на Луната. Транзисторите в тази интегрална скица са основани благодарение на най-първите истински структури на Хърни и по този метод става допустимо да се наблюдава развиването на самия планарен развой, който преди време извърши гражданска война в света на полупроводниците. И най-после, този операционен усилвател сподели опциите на хибридната технология, която към този момент съвсем не се употребява в интегралните схеми.
.td_uid_43_5c8a5f7c2e340_rand.td-a-rec-img{text-align:left}.td_uid_43_5c8a5f7c2e340_rand.td-a-rec-img img{margin:0 auto 0 0}
Неотдавна в ръцете ми попадна загадъчен електронен съставен елемент с железен корпус. Външният тип на тази интегрална скица бе по-различен – по-плоска и по-голяма от нормалното. Пред мен бе операционният усилвател, основан от НАСА през 1960-те години с потреблението на хибридна технология. Оказа се, че в създаването на този съставен елемент са взели присъединяване няколко прекомерно значими хора от историята на развиването на полупроводниците, а един от тези операционни усилватели в този момент се намира на Луната.
За да схвана по какъв начин работи този съставен елемент, се наложи да махна капачката благодарение на фина пила. Оказа че това не е тъкмо интегрална скица, а огромен хибриден модул от обособени дребни транзистори, сложени върху керамична поставка, сходна на печатна платка. Отделните силициеви транзистори (по-малките блестящи квадратчета) са запоени непосредствено върху пътечките на подложката. Използват се тънки проводници от злато, съединяващи съставените елементи и външните крачета.
Подобен тип хибридни интегрални схеми необятно се използваха до 1960-та година, когато бяха сменени от по-сложни интегрални схеми. Така да вземем за пример, известните изчислителни машини IBM System / 360 от 1964 година бяха построени от сходни хибридни модули, а не от интегрални схеми. Въпреки че интегралните операционни усилватели се появиха през 1963 година, до 80-те години на предишния век хибридните съставни елементи бяха извънредно известни.
.td_uid_41_5c8a5f7c23372_rand.td-a-rec-img{text-align:left}.td_uid_41_5c8a5f7c23372_rand.td-a-rec-img img{margin:0 auto 0 0}
В началото не можах да разпознавам съставния елемент и помолих за помощ специалиста по операционни усилватели Уолт Юнг. Цифрите на капачката посочваха, че интегралната скица е създадена от компанията Amelco . Именно това ми оказа помощ да проследя историята на „секретния“ операционен усилвател 2404BG , създаден от забравената към сегашен ден компания Amelco. Компонентът е бил продаден през 1969 година за $58,50 (което е еквивалентно на към $300 в наши дни). За съпоставяне, през днешния ден можете да си закупите актуален 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 съставни елементи на аналоговата техника, като неговата известност се дължи на неговите еластичност и повсеместност. Операционният усилвател има два входа, като подадените на тях напрежения могат да бъдат събирани, изваждани и умножавани, а резултатът да се получава във тип на напрежение. По принцип, в началото ОУ е планиран за осъществяването на математически интервенции, в които напрежението се употребява като аналогова големина.
Използването на противоположната връзка трансформира нещата, тъй като с нейна помощ операционният усилвател може да се употребява като аналогов усилвател, филтър, интегратор, диференциатор или буфер. Ключова фигура в създаването на операционните усилватели е Джордж Филбрик. Той е и създателят на едноименната компания George A. Philbrick Researches.
Успешната комерсиална история на операционния усилвател стартира през 1952 година, когато Филбрик показва ОУ K2-W , модул с две лампи, посредством който продуктът става известен.
Сега да преминем към Джийн Хърни (Jean Hoerni), създателят на упомената нагоре компания Amelco. За предистория на това може да се смята значимото за Силициевата котловина събитие от 1957 година. Осем млади учени известни като „предателската осморка“ (на други места „осмината изменници“), напущат Shockley Semiconductor, сплотяват се с предприемача Шърман Феърчайлд и основават компанията Fairchild Semiconductor. Това води до появяването на десетки стартъпи и растежа на Долината. По-късно, двама от предателската осморка – Moore и Noyce напущат Fairchild Semiconductor и основават Intel.
Физикът Джийн Хърни, също от тази вероломна осморка, работи във Fairchild върху подобряването на транзисторите и реализира величествен триумф. През 1959 година той изобретява планарния транзистор , което води до гражданска война в производството на полупроводникови съставни елементи.
Интересно е, че показаните в изображението по-долу транзистори са точно истинските планарни транзистори на Хърни. Транзисторите след 1970-та година наподобяват напълно друго и за мен бе прекомерно забавно да видя истинския дизайн на Хърни в тази интегрална скица.
Хърни напуща Fairchild през 1961 година и се включва в основаването на Amelco. Компанията се концентрира най-вече върху производството на полупроводници за космоса и не е пряк съперник на Fairchild. Линейните (аналогови) интегрални схеми са главният артикул на Amelco, като компанията създава операционни усилватели най-вече за новаторската компания Philbrick. Освен това Amelco всеобщо създава и елементарни транзистори с потреблението на планарната технология на Хърни. Именно в Amelco Хърни създава технологията за произвеждане на JFET транзистора благодарение на планарния развой. Тези транзистори са едни от най-популярните артикули на Amelco.
Основното предимство на JFET транзистора е, че входният ток в гейта на транзистора е извънредно дребен и това е едно от главните прерогативи на тези операционни усилватели. Amelco е първата компания, употребила JFET транзистора на Хърни в всеобщото произвеждане на извънредно ефикасни полеви транзистори.
Известният дизайнер на аналогови схеми Боб Пийс (Bob Pease) сплотява всички тези пъзели и истории. През 1960-те години той създава операционните усилватели за Philbrick, в това число и хибридния ОУ FET Q25AH (1965). По това време Amelco създава този ОУ за Philbrick, а Боб Пийс посещава компанията, с цел да помогне в разрешаването на някои зародили проблеми. Основната тематика са условията на НАСА за производството на нов маломощен ОУ с доста невисок звук. По време на почивката за кафе Пийс съумява да създаде операционен усилвател, който дава отговор на критериите на НАСА. Именно този ОУ се употребява в сеизмичните измервания при задачата Аполо 12 и през 1969 година остава на Луната дружно с апаратурата. Днес този операционен усилвател се намира на естествения сателит 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 подобен на дизайна на операционния усилвател 2401BG на Боб Пийс и допускам, че точно той е основал тези два продукта. ОУ 2404BG също стига до Луната – той е употребен в генератора за високо напрежение за прибора LACE, предопределен за проучването на лунната атмосфера. LACE е масспектрометър, оставен на Луната по време на задачата Аполо 17 през 1972 година. Именно LACE открива, че в съвсем изчезналата атмосфера на Луната има известни количества хелий, аргон и евентуално неон, амоняк, метан и въглероден диоксид.
През 1966 година Amelco се сплотява с Philbrick и по този метод се основава Teledyne Philbrick Nexus, която в последна сметка е закупена от Microchip Technology през 2000 година. Интересно е, че Microchip създава AVR контролерите, употребявани в Arduino.
Какво има под капачката?
Снимката по-долу демонстрира структурата на 2404BG. Сивите линии на керамиката са проводящите пътечки. Квадратчетата са n-p-n и p-n-p транзистори, всеки на обособена силициева матрица. Най-долната част на кристала на транзисторите е колекторът, свързан непосредствено с пътечката, а дребните 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 ръководещ PN преход. Големият квадрат в средата е комплект от резистори, като още един резистор е подложен в горния десен ъгъл на подложката. Да обърнем внимание, че за разлика от елементарните интегрални схеми, хибридните ИС изискват потреблението на редица скъпи механични процеси – обработка, монтаж на проводниците, слагане на спомагателни съставни елементи и други.
Схемата на този операционен усилвател не е комплицирана. Тя е добре позната, тъй като това са половината съставни елементи на класическия ОУ 741 . Във входа се употребяват 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) обезпечава поддръжката на непрекъснат ток за диференциалната двойка посредством токово огледало. Вторият усилвател (оранжево) дава в допълнение увеличаване. Изходните транзистори (виолетово) работят в клас АВ. Останалите съставни елементи (без цвят) обезпечават напрежението за работните точки на изходните транзистори.
Повечето резистори са ситуирани в огромния квадрат в центъра на подложката с размер на страната 1,7 мм (1/16 инча). Зигзагообразните пътечки са тънкослойни резистори, построени от тантал и нанесени върху покритата с оксид силициева поставка (едно от преимуществата на хибридните чипове са качествените резистори). Съпротивлението е съразмерно на дължината и зигзагообразните форми дават опция на тази лимитирана повърхност да се разположат повече резистори. В тази матрица се виждат свързващите проводници, които съединяват резисторите с другите съставни елементи на интегралната скица. Обърнете внимание на дребния кръг в горната част на тази матрица. Това е едно от нововъведенията на Amelco, употребявано за подравняване на маските, употребявани в другите пластове на матрицата.
Във веригата за генератора на ток е нужен високоомен резистор и за него се употребява обособена резисторна матрица. Вижда се, че пътечката е по-тънка и доста по-дълга, като по този метод се реализира по-високото противодействие на резистора.
Снимката по-долу демонстрира полевия транзистор с ръководещ PN преход, два броя от който се употребяват във входните вериги на операционния усилвател. Металните крачета са свързани със сорса и дрейна на полевия транзистор, като гейтът (в зелено) е обвързван изпод. Този дизайн е съвсем еднакъв с първия планарен JFET транзистор, изобретен от Хърни през 1963 година. Първоначално е било мъчно да се вграждат висококачествени JFET в кристала на чипа и по тази причина става известно производството на хибридни операционни усилватели с JFET транзистори. Едва през 1974 година експертите на National Semiconductor създават технологията за имплантиране на йони, посредством която се създават качествени JFET транзистори с ръководещ PN преход. Методът получава името BIFET и се употребява за основаването на по-сложни и по-качествени интегрални схеми – операционни усилватели.
Биполярният транзистор стартира от малко германиево квадратче, легирано с примеси, образуващи p и n областите (в взаимозависимост от проводимостта). Под микроскоп се вижда, че легираните p и n пластове се разграничават по цвят. Най-отгоре се вижда ослепителен железен пласт, от който излиза един проводник. Това е емитерът на биполярния транзистор. Вторият извод до емитера е за базата, която е ситуирана към емитера. Вижда се, че е направено особено място за капкообразния припой.
Най-долният пласт е колекторът, който е прикован към керамичната поставка. Биполярният n-p-n е с плоска конструкция. За p-n-p е нужен още един пласт във тип на пръстен, осигуряващ работата при по-високи напрежения.
Този инцидентно отворен от мен съставен елемент се оказа по-интересен, в сравнение с чаках. В него са преплетени историите от появяването на първите операционни усилватели Philbrick, основаната от Боб Пийс аналогова скица на операционен усилвател, предишното на към този момент забравената компания Amelco и научните опити на НАСА на Луната. Транзисторите в тази интегрална скица са основани благодарение на най-първите истински структури на Хърни и по този метод става допустимо да се наблюдава развиването на самия планарен развой, който преди време извърши гражданска война в света на полупроводниците. И най-после, този операционен усилвател сподели опциите на хибридната технология, която към този момент съвсем не се употребява в интегралните схеми.
.td_uid_43_5c8a5f7c2e340_rand.td-a-rec-img{text-align:left}.td_uid_43_5c8a5f7c2e340_rand.td-a-rec-img img{margin:0 auto 0 0}
Източник: kaldata.com
КОМЕНТАРИ