Igual que en la luna: ingeniería inversa de un módulo de amplificador operacional híbrido

Recientemente, un misterioso componente electrónico en una caja de metal cayó en mis manos. Se diferenciaba del circuito integrado habitual en apariencia: era más plano y más dimensional. De qué se trata y con qué se come, quedó claro después de abrir y aplicar ingeniería inversa al circuito. Antes de mí había un amplificador operacional creado para la NASA en la década de 1960 con tecnología híbrida. Resulta que varias personas importantes participaron en el desarrollo de este componente en la historia del desarrollo de semiconductores, y uno de esos amplificadores operacionales se encuentra en la luna.



Para comprender el principio de funcionamiento de este componente, tuve que cortar la parte superior de la caja de metal con una sierra para joyas, dentro había un circuito eléctrico. El circuito integrado como tal estaba ausente, dentro había un gran módulo híbrido, ensamblado a partir de pequeños transistores separados en un sustrato cerámico. En la foto a continuación, en un sustrato de cerámica, caminos conductores grisáceos, que se parecen a una placa de circuito impreso. Transistores de silicio separados (cuadrados brillantes más pequeños) están unidos a las pistas en el sustrato. Los delgados hilos dorados conectan los componentes entre sí y conectan el circuito a los contactos externos.



Los circuitos integrados híbridos se utilizaron ampliamente en la década de 1960 antes de ser reemplazados por circuitos integrados más complejos. (Por ejemplo, las populares computadoras IBM System / 360 (1964) se construyeron a partir de módulos híbridos, no de circuitos integrados). Aunque los amplificadores operacionales en circuitos integrados se lanzaron en 1963, los híbridos se mantuvieron en la cima de la popularidad hasta los años 80.

Al principio, no pude identificar esta parte, así que le pedí ayuda a Walt Jung, un experto en amplificadores operacionales. Los números en el paquete indicaban Amelco. Esto me ayudó a rastrear la historia del amplificador operacional "secreto" 2404BG fabricado por el ahora olvidado Amelco. El artículo se vendió en 1969 por $ 58.50 (equivalente a alrededor de $ 300 hoy). A modo de comparación, ahora puede comprar un amplificador operacional moderno de cuatro canales con una entrada JFET por menos de 25 centavos.

Un poco de historia del amplificador operacional

El amplificador operacional es uno de los componentes más populares de los circuitos analógicos; tal flexibilidad y versatilidad le dan tanta popularidad. El amplificador operacional recibe dos voltajes de entrada, los lee, multiplica la diferencia por un valor enorme (100,000 o más) y muestra el resultado como un voltaje. El amplificador operacional se diseñó originalmente para realizar operaciones matemáticas mediante el uso de voltaje como una cantidad analógica.

En la práctica, el ciclo de retroalimentación hace que las entradas sean casi iguales; Dependiendo del esquema de retroalimentación, el amplificador operacional puede usarse, por ejemplo, como un amplificador, filtro, integrador, diferenciador o amortiguador. La persona clave al comienzo del desarrollo de amplificadores operacionales fue George Philbrick. Fue el fundador de la compañía homónima George A. Philbrick Researches.

La exitosa historia comercial del amplificador operacional comenzó en 1952 cuando Philbrick introdujo el amplificador operacional K2-W , un módulo de doble lámpara, que le dio popularidad al producto.

Ahora pasemos a Jean Hoerni, el fundador de la empresa mencionada Amelco. La prehistoria puede considerarse lo que sucedió en 1957, un evento en la vida de Silicon Valley. Ocho jóvenes científicos, conocidos como los "ocho de la traición", dejaron Shockley Semiconductor. Después de irse, se unieron con el empresario Sherman Fairchild y fundaron Fairchild Semiconductor, lo que condujo a la aparición de docenas de nuevas empresas y al crecimiento del propio valle. Dos de los ocho traicioneros Moore y Noyce abandonaron Fairchild y fundaron Intel.

El físico Jean Hoerni (Jean Horney), de los mismos ocho traicioneros, trabajó en Fairchild para mejorar los transistores y logró un éxito que superó todas las expectativas. En 1959, inventó un transistor plano, y en 1959 revolucionó la fabricación de semiconductores. La tecnología plana consiste esencialmente en recubrir la superficie de un transistor de silicio con una capa delgada de óxido de silicio (como una torta recubierta con hielo).

Curiosamente, los transistores en el módulo amplificador operacional (abajo) son idénticos en apariencia a los transistores planos Horney originales. Los transistores de la década de 1970 y posteriores se ven completamente diferentes, por lo que fue un poco extraño para mí encontrar el diseño original de Horney en este módulo.


Transistor NPN dentro de un módulo híbrido. Pequeños cables de conexión están conectados a la base y al emisor, y el colector está en la parte inferior

Horney dejó Fairchild en 1961 y ayudó a fundar una compañía llamada Amelco. La compañía se centró en el desarrollo de semiconductores para su uso en el espacio, que no competía directamente con Fairchild. Los circuitos integrados lineales (analógicos) fueron el principal producto de Amelco, ya que la compañía creó opamps para Philbrick (una compañía pionera de opamp). Además, Amelco fabricó transistores discretos utilizando la tecnología plana Horney. En Amelco, Horney desarrolló una técnica para construir un transistor JFET utilizando su proceso plano; estos transistores se han convertido en uno de los productos más populares de Amelco.

La principal ventaja de JFET es que la corriente de entrada a la puerta del transistor es extremadamente pequeña, y esto es claramente una ventaja para los amplificadores operacionales. Amelco utilizó por primera vez el JFET de Horney en producción con un amplificador operacional de alto rendimiento.

Bob Pease (Bob Pease) es un famoso diseñador de circuitos analógicos, conecta estos rompecabezas en la historia. En la década de 1960, Bob Pease desarrolló amplificadores operacionales para Philbrick, incluido el amplificador operacional híbrido FET Q25AH (1965). Amelco lanzó este amplificador operacional para Philbrick. Bob Pease visitó la compañía para ayudar a resolver algunos de los problemas encontrados en la producción del FET Q25AH. La esencia de la historia: durante su visita, Bob Pease entró en una discusión con los ingenieros de Amelco, el tema de discusión fue los requisitos de la NASA para el lanzamiento de un nuevo amplificador de baja potencia y bajo ruido. Durante la pausa para el café, Bob Pease logró desarrollar un amplificador operacional que cumplía con los estrictos requisitos de la NASA. Este amplificador operacional se utilizó en la investigación sísmica, el Apolo 12 dejó el amplificador operacional en la luna en 1969, por lo que ahora uno de estos amplificadores operacionales está presente en el cuerpo celeste. Amelco lo vendió como 2401BG.

En cuanto al 2404BG que hice, su diseño es muy similar al diseño 2401BG de Bob Pease, por lo que sospecho que diseñó estos dos productos. El amplificador operacional 2404BG también tuvo la suerte de llegar a la luna; se usó en una fuente de alto voltaje mientras se estudiaba la composición de la atmósfera lunar (LACE). LACE es un espectrómetro de masas dejado en la luna durante la tercera misión Apollo 17 Jay en 1972. (Usando LACE, se descubrió que aunque la atmósfera está casi ausente en la luna, sí tiene algo de helio, argón y posiblemente neón, amoníaco, metano y dióxido de carbono).

En 1966, Amelco se unió a Philbrick para formar el Nexus Teledyne Philbrick, que finalmente fue adquirido por Microchip Technology en 2000. Entre otras cosas, Microchip fabrica los microcontroladores AVR utilizados en el Arduino.

Dentro de un amplificador operacional híbrido

En esta sección, describiré el diseño y el diseño del amplificador operacional 2404BG con más detalle. En la foto a continuación, un primer plano muestra el sustrato cerámico y los componentes que contiene. Las líneas impresas en gris en la cerámica son pistas de circuitos conductores de electricidad. Los cuadrados (la mayoría de ellos) son transistores npn y pnp, cada uno en una matriz de silicio separada. En la parte inferior del cristal hay un colector de transistores conectado a una pista de cerámica. Pequeños cables de oro están unidos al emisor y la base del transistor, conectándolo al circuito. Los dos transistores rectangulares en la esquina inferior derecha son JFET (transistores de efecto de campo con unión de control PN). Un cuadrado grande en el medio es un conjunto de resistencias, otra resistencia se encuentra en la esquina superior derecha. Tenga en cuenta que, a diferencia de los circuitos integrados, los módulos híbridos requieren una gran cantidad de costosos procesos mecánicos: procesamiento, cableado y conexión de componentes individuales.



Reproduje el circuito del módulo amplificador operacional que se muestra a continuación. Este circuito parece bastante simple, ya que los amplificadores operacionales funcionan con aproximadamente la mitad de los componentes del amplificador operacional clásico 741. Las entradas están protegidas por JFET (verde). Un par diferencial (azul) amplifica la entrada al dirigir la corriente en un lado del par o en el otro. La fuente de corriente (roja) genera una corriente continua "pequeña" para el par diferencial utilizando un espejo de corriente. Un amplificador de dos etapas (naranja) proporciona amplificación adicional. Los transistores de salida (púrpura) funcionan en la clase AV. Los componentes restantes (sin pintar) suministran el voltaje de polarización de los transistores de salida. Los condensadores externos en los contactos (8 y 9) evitan que el amplificador operacional oscile.



La mayoría de las resistencias están ubicadas en un solo chip en el medio del módulo; este cristal tiene un diámetro de 1.7 mm (1/16 "). Las formas en zigzag son resistencias de película delgada basadas en compuestos de tántalo depositados en una oblea de silicio recubierta de óxido. (Una de las ventajas de los circuitos híbridos era mejores resistencias). La resistencia es proporcional a la longitud , por lo que las formas sinuosas permitieron colocar más resistencias en la matriz. Alrededor de la matriz hay sustratos metálicos, los cables de conexión unidos a los contactos conectan las resistencias a otras partes del circuito. atención al pequeño círculo a la izquierda cerca de la base superior derecha: una de las innovaciones en Amelco es la designación de "objetivo" para alinear las máscaras utilizadas para las diferentes capas del chip.



Se requirió una resistencia de alta resistencia para el circuito de fuente de corriente, por lo que se utilizó una matriz de resistencia separada en él (a continuación). Se usó una pista más larga y delgada en esta resistencia, lo que causó una mayor resistencia que en la resistencia del chip anterior.
El tamaño del cristal para esta resistencia es de 0,8 mm.



La foto a continuación muestra un transistor de efecto de campo con una unión pn de control, que se utiliza en un amplificador operacional. Los dedos de metal se conectan a la fuente y a las áreas de drenaje. La puerta del transistor está conectada desde abajo. Este diseño es casi idéntico al primer JFET plano inventado por Horney en 1963. Inicialmente, era difícil producir JFET de alta calidad en un circuito integrado, que popularizó la producción de amplificadores operacionales JFET híbridos. No fue hasta 1974 que los ingenieros de National Semiconductor desarrollaron un método de implantación de iones para fabricar transistores de efecto de campo JFET de alta calidad con un control de unión pn. El método se llamaba "BIFET" y se usaba para crear circuitos integrados más avanzados para amplificadores operacionales.

El diagrama a continuación compara la estructura de los transistores npn y pnp en el módulo con las fotos de arriba y el diagrama de sección transversal a continuación.


Transistor de efecto de campo dentro del módulo. El tamaño de la matriz es de 0.6 × 0.3 mm.

¿Con qué comienza un transistor? Con un cristal de silicio cuadrado, que está impregnado de impurezas, que forma regiones n y p (dependiendo del tipo de conductividad) con diferentes características. Bajo el microscopio, se ve que las zonas n y p dopadas con silicio difieren en color. Una capa de metal brillante con una conexión eléctrica unida a un emisor central es visible desde arriba. Una segunda conexión eléctrica está unida al área principal alrededor del emisor; Gracias a la forma de lágrima, se asigna más espacio para fijar la conexión principal.

La parte inferior de la matriz es un colector que se conecta a los contactos en el sustrato cerámico. El transistor npn sigue una estructura plana recta. Sin embargo, el transistor pnp requería un anillo conductor adicional para operar el amplificador operacional a voltajes más altos.


Comparación de transistores npn y pnp en un módulo

Conclusión

Este componente, que descubrí accidentalmente, resultó ser más interesante de lo que esperaba. Entrelaza la aparición de los primeros amplificadores operacionales Philbrick, el desarrollo del circuito analógico de Bob Pease, la historia del ahora olvidado Amelco, los experimentos científicos de la NASA en la Luna. Los transistores dentro de este módulo se construyeron utilizando los diseños planos originales de Horney, lo que permitió observar el desarrollo del proceso plano en sí, que en un momento revolucionó el mundo de los semiconductores. Finalmente, este amplificador operacional demostró las capacidades de la tecnología híbrida, que está casi completamente ausente en los circuitos integrados.

Notas y enlaces

1. El módulo fue empaquetado en un paquete estándar TO-8 de 12 pines. La mayoría de los circuitos integrados están en la carcasa metálica TO-5, pero los circuitos híbridos más grandes y el espacio requieren más.

2. "15818" en el paquete es el código CAGE, el identificador de la OTAN utilizado para rastrear a los proveedores. Inicialmente, 15818 identificó a Amelko; Debido a la fusión, este número ahora es propiedad de TelCom Semiconductor.

3. El libro " La historia de la tecnología de semiconductores " describe con gran detalle las historias de varias empresas de semiconductores y personas involucradas en esta industria. Una historia detallada de los amplificadores operacionales, incluido el desarrollo del amplificador operacional JFET en la década de 1970, es la Historia de los amplificadores operacionales de Walt Jung.

4. Bob Pease es autor del popular encabezado del circuito analógico Pease Porridge . También escribió libros como Solución de problemas de circuitos analógicos .

5. Un artículo de Bob Pease " ¿Qué clase de cosa es esta - 2401BG? " (P. 54) demuestra el esquema 2401BG (abajo). Comparando los circuitos, llegué a la conclusión de que 2401BG es muy similar al 2404BG que investigué. (Para simplificar la comparación, coloreé los bloques de funciones de acuerdo con el esquema 2404BG).



La principal diferencia aquí es la etapa de salida: 2401BG recibe la salida directamente del segundo par, y para 2404BG la clase de operación de la etapa de salida del amplificador es AB. 2401BG tiene un espejo de corriente separado para bases de entrada de transistores npn.

6. Después de restaurar el circuito del amplificador operacional, logré encontrar un libro de 1968 con un circuito de amplificador operacional híbrido Amelco. Estos dos circuitos son casi idénticos, excepto que en el circuito que se muestra en el libro hay dos condensadores que son externos en el 2404BG.



La imagen en la fotografía del amplificador operacional híbrido en el libro es diferente de la 2404BG que he estudiado. El número de pieza no está indicado en el libro (lo cual es al menos extraño), por lo que sospecho que solo era la versión 2404BG, que está en desarrollo.

7. " Historia oral de Jack Haenichen / Historia oral de Jack Hanikhan " y patente 3226611

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