مثلما هو الحال على سطح القمر: الهندسة العكسية لوحدة المرجع أمبير المختلطة

في الآونة الأخيرة ، سقط عنصر إلكتروني غامض في علبة معدنية في يدي. كان يختلف عن الدائرة المتكاملة المعتادة في المظهر - لقد كان أكثر تسطحًا وأبعادًا. ما هو وما يتم تناوله ، أصبح واضحًا بعد فتح الدائرة وهندستها العكسية. قبلي كان مكبر للصوت التشغيلي الذي تم إنشاؤه لناسا في 1960s باستخدام التكنولوجيا الهجينة. اتضح أن العديد من الأشخاص المهمين شاركوا في تطوير هذا المكون في تاريخ تطور أشباه الموصلات ، وأن أحد هذه المضخمات التشغيلية يقع على سطح القمر.



لفهم مبدأ تشغيل هذا المكون ، اضطررت إلى قطع الجزء العلوي من العلبة المعدنية بمنشار مجوهرات ، بداخله دائرة كهربائية. وكانت الدائرة المتكاملة على هذا النحو غائبة ، وكان داخلها وحدة هجينة كبيرة ، تم تجميعها من ترانزستورات صغيرة منفصلة على ركيزة من السيراميك. في الصورة أدناه - على الركيزة الخزفية ، مسارات موصلة باللون الرمادي ، والتي تشبه لوحة الدوائر المطبوعة. يتم إرفاق ترانزستورات السيليكون المنفصلة (المربعات الصغيرة اللامعة) بالمسارات الموجودة على الركيزة. تربط الأسلاك الذهبية الرفيعة المكونات ببعضها البعض وتوصيل الدائرة بجهات اتصال خارجية.



استخدمت الدوائر المتكاملة الهجينة على نطاق واسع في الستينيات قبل استبدالها بدارات متكاملة أكثر تعقيدًا. (على سبيل المثال ، تم بناء أجهزة IBM System / 360 الشائعة (1964) من وحدات مختلطة ، وليس من دوائر متكاملة). على الرغم من أن مكبرات الصوت التشغيلية على الدوائر المتكاملة قد تم إصدارها في عام 1963 ، إلا أن الهجينة في الثمانينات من القرن الماضي ظلت في ذروة الشعبية.

في البداية ، لم أتمكن من تحديد هذا الجزء ، لذلك طلبت من والت يونج ، خبير في العمليات ، المساعدة. وأشارت الأرقام على العبوة أميلكو. لقد ساعدني ذلك في تتبع تاريخ المضخم التشغيلي "السري" 2404BG المصنّع من قبل شركة Amelco المنسية الآن. تم بيع القطعة في عام 1969 مقابل 58.50 دولار (ما يعادل حوالي 300 دولار اليوم). للمقارنة ، يمكنك الآن شراء مكبر صوت تشغيلي رباعي القنوات مع دخل JFET بأقل من 25 سنتًا.

قليلا من التاريخ مكبر للصوت التشغيلي

يعتبر مضخم التشغيل أحد المكونات الأكثر شيوعًا للدوائر التناظرية ؛ توفر هذه المرونة والتنوع هذه الشعبية. يستقبل المضخم التشغيلي جهازي إدخال ، ويقرأهما ، يضاعف الفارق بقيمة كبيرة (100،000 أو أكثر) ويعرض النتيجة كجهد كهربائي. تم تصميم op-amp في الأصل لتنفيذ العمليات الرياضية باستخدام الجهد ككمية تمثيلية.

في الممارسة العملية ، تجعل حلقة الملاحظات المدخلات متساوية تقريبًا ؛ اعتمادًا على نظام التغذية المرتدة ، يمكن استخدام مضخم التشغيل ، على سبيل المثال ، كمكبر للصوت أو عامل تصفية أو تكامل أو أداة تمييز أو مخزن مؤقت. كان جورج فيلبريك هو الشخص الرئيسي في بداية تطوير مكبرات الصوت التشغيلية. وكان مؤسس الشركة الملقبة باسم George A. Philbrick Researches.

بدأ التاريخ التجاري الناجح للمضخم التشغيلي في عام 1952 عندما قام Philbrick بتقديم K2-W op-amp ، وحدة المصابيح المزدوجة ، والتي جلبت شعبية للمنتج.

الآن دعنا ننتقل إلى جان هورني ، مؤسس شركة Amelco المذكورة أعلاه. يمكن اعتبار ما قبل التاريخ ما حدث في عام 1957 ، وهو حدث في حياة وادي السيليكون. غادر ثمانية علماء شباب ، والمعروفة باسم "خيانة الثمانية" ، Shockley Semiconductor. بعد مغادرتهم ، تعاونوا مع رجل الأعمال شيرمان فيرتشايلد وأسسوا فيرتشايلد أشباه الموصلات ، مما أدى إلى ظهور العشرات من الشركات الناشئة ونمو الوادي نفسه. غادر اثنان من الثمانية الغادرة مور ونويس في وقت لاحق فيرتشايلد وأسسوا شركة إنتل.

عمل الفيزيائي جان هورني (جان هورني) ، من نفس الشخص الغادر البالغ من العمر ثمانية أعوام ، في فيرتشايلد لتحسين الترانزستورات وحقق نجاحًا فاق كل التوقعات. في عام 1959 ، اخترع ترانزستور مستو ، وفي عام 1959 ، أحدث ثورة في تصنيع أشباه الموصلات. تقوم تقنية بلانار أساسًا بطلاء سطح ترانزستور السيليكون بطبقة رقيقة من أكسيد السيليكون (مثل الكعكة المطلية بالجليد).

ومن المثير للاهتمام ، أن الترانزستورات في وحدة مكبر للصوت التشغيلي (أدناه) متطابقة في المظهر إلى الترانزستورات هورني مستو الأصلي. تبدو الترانزستورات في سبعينيات القرن الماضي مختلفة تمامًا ، لذا كان من الغريب بعض الشيء أن أجد تصميم Horney الأصلي في هذه الوحدة.


الترانزستور npn داخل وحدة مختلطة. يتم ربط أسلاك ربطة عنق صغيرة بالقاعدة والباعث ، والمجمع على الجانب السفلي

غادر Horney Fairchild في عام 1961 وساعد في تأسيس شركة تدعى Amelco. ركزت الشركة على تطوير أشباه الموصلات للاستخدام في الفضاء ، والتي لم تتنافس مباشرة مع فيرتشايلد. كانت الدوائر المتكاملة الخطية (التناظرية) هي المنتج الرئيسي لشركة Amelco حيث أنشأت الشركة opamps لشركة Philbrick (شركة رائدة في مجال opamp). بالإضافة إلى ذلك ، قامت Amelco بتصنيع الترانزستورات المنفصلة باستخدام تقنية Horney planar. في Amelco ، طور Horney تقنية لإنشاء ترانزستور JFET باستخدام عملية المسطح ؛ أصبحت هذه الترانزستورات واحدة من أكثر منتجات Amelco شعبية.

تتمثل الميزة الرئيسية لـ JFET في أن تيار الدخل لبوابة الترانزستور صغير للغاية ، وهذا من الواضح أنه ميزة للمضخمات التشغيلية. استخدمت Amelco لأول مرة شركة Horney's JFET في الإنتاج بمرجع صوت عالي الأداء.

Bob Pease (Bob Pease) هو مصمم مشهور من الدوائر التناظرية ، ويربط هذه الألغاز في التاريخ معًا. في الستينيات من القرن الماضي ، طور Bob Pease مضخمات تشغيلية لـ Philbrick ، ​​بما في ذلك مضخم التشغيل الهجين FET Q25AH (1965). أطلقت Amelco هذا المرجع أمبير لـ Philbrick. زار Bob Pease الشركة من أجل المساعدة في التعامل مع بعض المشاكل التي واجهت إنتاج FET Q25AH. جوهر القصة: خلال زيارته ، دخل بوب بيس في نقاش مع مهندسي أميلكو ، وكان موضوع النقاش هو متطلبات وكالة ناسا لإصدار مكبر صوت جديد منخفض الطاقة ومنخفض الضوضاء. خلال فترة استراحة القهوة ، تمكن Bob Pease من تطوير مضخم تشغيلي يلبي متطلبات ناسا الصارمة. تم استخدام مكبر الصوت التشغيلي هذا في البحث الزلزالي ، وترك Apollo 12 المرجع أمبير على سطح القمر في عام 1969 ، لذلك يوجد الآن واحد من هذه المكبرات التشغيلية على الجسم السماوي. باعتها Amelco كـ 2401BG.

بالنسبة إلى طراز 2404BG الذي قمت بإنشائه ، فإن تصميمه مشابه جدًا لتصميم Bob Pease's 2401BG ، لذلك أظن أنه صمم هذين المنتجين. كان مكبر الصوت التشغيلي 2404BG محظوظًا أيضًا للوصول إلى القمر ؛ تم استخدامه في مصدر الجهد العالي أثناء دراسة تكوين الغلاف الجوي للقمر (LACE). LACE هو مطياف الكتلة التي تركت على سطح القمر خلال مهمة Apollo 17 Jay الثالثة في عام 1972. (بمساعدة LACE ، تبين أنه على الرغم من أن الغلاف الجوي غائب تقريبًا على سطح القمر ، فإنه يحتوي على كمية معينة من الهيليوم والأرجون وربما النيون والأمونيا والميثان وثاني أكسيد الكربون).

في عام 1966 ، اندمجت شركة Amelco مع Philbrick لتشكيل Teledyne Philbrick Nexus ، التي اشترتها في نهاية المطاف شركة Microchip Technology في عام 2000. من بين أشياء أخرى ، تقوم Microchip بتصنيع أجهزة التحكم الدقيقة AVR المستخدمة في Arduino.

داخل المرجع الهجين أمبير

في هذا القسم ، سوف أصف تصميم وتخطيط مكبر الصوت التشغيلي 2404BG بمزيد من التفصيل. في الصورة أدناه - صورة مقربة توضح الركيزة الخزفية والمكونات الموجودة عليها. الخطوط المطبوعة باللون الرمادي على السيراميك هي مسارات دائرية موصلة كهربائياً. المربعات (معظمها) هي الترانزستورات npn و pnp ، كل على مصفوفة منفصلة السيليكون. في الجزء السفلي من الكريستال هو جامع الترانزستور متصلة مسار السيراميك. يتم توصيل أسلاك ذهبية صغيرة باعث وقاعدة الترانزستور ، وتوصيله إلى الدائرة. اثنين من الترانزستورات مستطيلة في الزاوية اليمنى السفلى هي JFETs (الترانزستورات تأثير الحقل مع تقاطع السيطرة PN). مربع كبير في الوسط عبارة عن مجموعة من المقاومات ، ومقاوم آخر يقع في الركن الأيمن العلوي. يرجى ملاحظة ، على عكس الدوائر المتكاملة ، تتطلب الوحدات الهجينة عددًا كبيرًا من العمليات الميكانيكية باهظة الثمن - المعالجة ، والأسلاك ، وربط المكونات الفردية.



أنا استنسخت دائرة مكبر للصوت التشغيلي هو مبين أدناه. تبدو هذه الدائرة بسيطة للغاية ، حيث تعمل مضخمات التشغيل مع حوالي نصف مكونات الفئة الكلاسيكية 741 أمبير ، يتم تخزين المدخلات بواسطة JFETs (الأخضر). يقوم الزوج التفاضلي (الأزرق) بتضخيم الإدخال عن طريق توجيه التيار على جانب واحد من الزوج أو على الجانب الآخر. يولد المصدر الحالي (الأحمر) تيارًا "صغيرًا" مباشرًا للزوج التفاضلي باستخدام مرآة حالية. يوفر مضخم الصوت على مرحلتين (برتقالي) تضخيمًا إضافيًا. الترانزستورات الإخراج (الأرجواني) العمل في فئة AV. توفر المكونات المتبقية (غير ملوثة) جهد التحيز في الترانزستورات الناتجة. المكثفات الخارجية على جهات الاتصال (8 و 9) تمنع المرجع أمبير من التذبذب.



توجد معظم المقاومات على شريحة واحدة في منتصف الوحدة. يبلغ قطر هذه البلورة 1.7 مم (1/16 "). الأشكال المتعرجة عبارة عن مقاومات غشاء رقيق تعتمد على مركبات التنتالوم المترسبة على رقاقة سيليكون مغلفة بأكسيد. (إحدى مزايا الدوائر الهجينة كانت مقاومات أفضل). المقاومة تتناسب مع الطول ، لذلك فإن الأشكال الخاطئة مكنت من وضع المزيد من المقاومات على المصفوفة. حول المصفوفة عبارة عن ركائز معدنية ، وتربط الأسلاك المتصلة بجهات الاتصال التي تربط المقاومات بأجزاء أخرى من الدائرة. الانتباه إلى الدائرة الصغيرة على اليسار بالقرب من الطبقة السفلية اليمنى اليمنى: أحد الابتكارات في Amelco هو تعيين "الهدف" من أجل محاذاة الأقنعة المستخدمة لطبقات مختلفة من الشريحة.



مطلوب مقاومة عالية المقاومة لدائرة المصدر الحالي ، لذلك تم استخدام مصفوفة مقاومة منفصلة في ذلك (أدناه). تم استخدام مسار أطول وأرق في هذا المقاوم ، مما تسبب في مقاومة أعلى من المقاوم في الشريحة السابقة.
حجم الكريستال لهذا المقاوم هو 0.8 مم.



توضح الصورة أدناه ترانزستور تأثير المجال مع تقاطع التحكم pn ، والذي يستخدم في مكبر للصوت التشغيلي. تتصل الأصابع المعدنية بالمناطق المصدر والمصرف. بوابة الترانزستور متصلة من الأسفل. هذا التصميم مطابق تقريبًا لأول طائرة مستوية JFET ابتكرها هورني عام 1963. في البداية ، كان من الصعب إنتاج JFETs عالية الجودة على دارة متكاملة ، والتي ساهمت في إنتاج مضخمات التشغيل JFET الهجينة. لم يكن حتى عام 1974 أن المهندسين الوطنيين أشباه الموصلات طوروا طريقة زرع أيون لتصنيع الترانزستورات تأثير الحقل عالية الجودة JFET مع تحكم تقاطع pn. تم استدعاء الطريقة "BIFET" وتم استخدامها لإنشاء دوائر متكاملة أكثر تقدمًا لمكبرات الصوت التشغيلية.

يقارن الرسم البياني أدناه بنية الترانزستورات npn و pnp في الوحدة النمطية مع الصور أعلاه ومخطط المقطع العرضي أدناه.


مجال تأثير الترانزستور داخل الوحدة. حجم المصفوفة هو 0.6 × 0.3 مم

ماذا يبدأ الترانزستور؟ مع بلورة السيليكون مربع ، مخدر مع الشوائب ، والتي تشكل مناطق ن و ع (اعتمادا على نوع الموصلية) مع خصائص مختلفة. تحت المجهر ، يتبين أن مناطق n و p المخدرة بالسيليكون تختلف في اللون. يمكن رؤية طبقة معدنية لامعة مع وصلة كهربائية واحدة متصلة باعث مركزي من الأعلى. يتم توصيل اتصال كهربائي ثاني بالمنطقة الرئيسية المحيطة بالباعث ؛ بفضل شكل الدمعة ، يتم تخصيص مساحة أكبر لإصلاح الاتصال الرئيسي.

الجزء السفلي من المصفوفة هو جامع يتصل جهات الاتصال على الركيزة الخزفية. يتبع الترانزستور npn بنية مستوية مستقيمة. ومع ذلك ، تطلب ترانزستور pnp حلقة موصلة إضافية لتشغيل أمبير المرجع في الفولتية العالية.


مقارنة بين الترانزستورات npn و pnp في وحدة نمطية

الخاتمة

تبين أن هذا المكون ، الذي اكتشفت عن طريق الخطأ ، أكثر إثارة للاهتمام مما كنت أتوقع. إنه يربط بين ظهور أول مضخمات تشغيل Philbrick ، ​​وتطوير الدائرة التناظرية لـ Bob Pease ، وتاريخ Amelco المنسي الآن ، تجارب ناسا العلمية على القمر. تم بناء الترانزستورات داخل هذه الوحدة باستخدام تصميمات هورني الأصلية المستوية ، والتي سمحت بإلقاء نظرة على تطور عملية المستوي نفسها ، والتي أحدثت ثورة في عالم أشباه الموصلات في وقت واحد. أخيرًا ، أظهر مكبر الصوت التشغيلي هذا إمكانات التكنولوجيا الهجينة ، والتي غابت تمامًا تقريبًا في الدوائر المتكاملة.

الملاحظات والروابط

1. تم تعبئتها في حزمة قياسية بـ 12 دبوس TO-8. معظم الدوائر المتكاملة موجودة في غلاف معدني TO-5 ، ولكن الدوائر الهجينة الكبيرة والمساحة تتطلب المزيد.

2. "15818" على العبوة هو رمز CAGE ، معرف الناتو المستخدم لتعقب الموردين. في البداية ، حددت 15818 أميلكو. نظرًا للاندماج ، أصبح هذا الرقم مملوكًا لشركة TelCom Semiconductor.

3. يصف كتاب " تاريخ تكنولوجيا أشباه الموصلات " بتفصيل كبير قصص مختلف شركات أشباه الموصلات والأشخاص المشاركين في هذه الصناعة. إن التاريخ التفصيلي للمكبرات التشغيلية ، بما في ذلك تطوير JFET op-amp في السبعينيات ، هو تاريخ Walt Jung للمكبرات التشغيلية .

4. قام Bob Pease بتأليف عنوان الدائرة التناظرية Pease Porridge الشهير. كما كتب بعض الكتب مثل استكشاف الأخطاء وإصلاحها الدوائر التناظرية .

5. مقال بقلم بوب بيز " أي نوع من الأشياء - 2401BG؟ " (ص 54) يوضح مخطط 2401BG (أدناه). بمقارنة الدوائر ، توصلت إلى استنتاج مفاده أن 2401BG يشبه إلى حد كبير 2404BG التي بحثت عنها. (لتبسيط المقارنة ، قمت بتلوين كتل الوظائف وفقًا لمخطط 2404BG).



الفرق الرئيسي هنا هو مرحلة الإخراج: 2401BG يستقبل الإخراج مباشرة من الزوج الثاني ، وبالنسبة إلى 2404BG ، فإن فئة تشغيل مرحلة إخراج مكبر للصوت هي AB. 2401BG لديه مرآة الحالية منفصلة لقواعد الإدخال من الترانزستورات npn.

6. بعد أن استعادت دائرة المرجع أمبير ، تمكنت من العثور على كتاب 1968 مع دائرة Amelco الهجينة أمبير. هاتان الدائرتان متطابقتان تقريبًا ، باستثناء أنه في الدائرة الموضحة في الكتاب ، يوجد المكثفان الخارجيان في 2404BG.



تختلف الصورة في صورة المرجع الهجين في الكتاب عن 2404BG التي درستها. لم يتم الإشارة إلى رقم الجزء في الكتاب (وهو غريب على الأقل) ، لذلك أظن أنه كان الإصدار 2404BG فقط ، وهو قيد التطوير.

7. " Jack Haenichen التاريخ الشفوي / التاريخ الشفوي لجاك Hanikhan " وبراءة الاختراع 3226611

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 مراكز) 10GB DDR4 240GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية حتى الصيف مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك طلب هنا .

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ لدينا فقط 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة الأمريكية! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟