Wie auf dem Mond: Reverse Engineering eines Hybrid-Operationsverstärkermoduls

Kürzlich fiel mir ein mysteriöses elektronisches Bauteil in einem Metallgehäuse in die Hände. Es unterschied sich von der üblichen integrierten Schaltung im Aussehen - es war flacher und dimensionaler. Was es ist und womit es gegessen wird, wurde nach dem Öffnen und Reverse Engineering der Schaltung klar. Vor mir war ein Operationsverstärker, der in den 1960er Jahren mit Hybridtechnologie für die NASA entwickelt wurde. Es stellt sich heraus, dass mehrere bedeutende Personen an der Entwicklung dieser Komponente in der Geschichte der Entwicklung von Halbleitern beteiligt waren, und einer dieser Operationsverstärker befindet sich auf dem Mond.



Um das Funktionsprinzip dieser Komponente zu verstehen, musste ich den oberen Teil des Metallgehäuses mit einer Schmucksäge abschneiden, in der sich ein Stromkreis befand. Die integrierte Schaltung als solche fehlte, im Inneren befand sich ein großes Hybridmodul, das aus separaten winzigen Transistoren auf einem Keramiksubstrat zusammengesetzt war. Auf dem Foto unten - auf einem Keramiksubstrat grau leitende Pfade, die wie eine Leiterplatte aussehen. An den Spuren auf dem Substrat sind separate Siliziumtransistoren (kleinere glänzende Quadrate) angebracht. Dünne Golddrähte verbinden Komponenten miteinander und verbinden den Stromkreis mit externen Kontakten.



Hybride integrierte Schaltkreise wurden in den 1960er Jahren häufig verwendet, bevor sie durch komplexere integrierte Schaltkreise ersetzt wurden. (Zum Beispiel wurden die beliebten IBM System / 360-Computer (1964) aus Hybridmodulen und nicht aus integrierten Schaltkreisen hergestellt.) Obwohl Operationsverstärker für integrierte Schaltkreise 1963 auf den Markt kamen, blieben Hybride bis in die 80er Jahre auf dem Höhepunkt ihrer Popularität.

Zuerst konnte ich diesen Teil nicht identifizieren und bat Walt Jung, einen Experten für Operationsverstärker, um Hilfe. Die Nummern auf der Verpackung geben Amelco an. Dies half mir, die Geschichte des „geheimen“ Operationsverstärkers 2404BG zu verfolgen, der vom inzwischen vergessenen Amelco hergestellt wurde. Der Artikel wurde 1969 für 58,50 USD verkauft (das entspricht heute etwa 300 USD). Zum Vergleich: Jetzt können Sie einen modernen Vierkanal-Operationsverstärker mit JFET-Eingang für weniger als 25 Cent erwerben.

Ein bisschen Operationsverstärker-Geschichte

Ein Operationsverstärker ist eine der beliebtesten Komponenten analoger Schaltungen, und seine Flexibilität und Vielseitigkeit sorgen für eine solche Beliebtheit. Der Operationsverstärker empfängt zwei Eingangsspannungen, liest sie, multipliziert die Differenz mit einem großen Wert (100.000 oder mehr) und zeigt das Ergebnis als Spannung an. Der Operationsverstärker wurde ursprünglich entwickelt, um mathematische Operationen unter Verwendung der Spannung als analoge Größe durchzuführen.

In der Praxis macht die Rückkopplungsschleife die Eingänge nahezu gleich; Abhängig vom Rückkopplungsschema kann der Operationsverstärker beispielsweise als Verstärker, Filter, Integrator, Differenzierer oder Puffer verwendet werden. Die Schlüsselperson zu Beginn der Entwicklung von Operationsverstärkern war George Philbrick. Er war der Gründer der gleichnamigen Firma George A. Philbrick Researches.

Die erfolgreiche Handelsgeschichte des Operationsverstärkers begann 1952, als Philbrick den Operationsverstärker K2-W einführte, ein Doppellampenmodul, das dem Produkt Popularität verlieh.

Kommen wir nun zu Jean Hoerni, dem Gründer der oben genannten Firma Amelco. Die Vorgeschichte kann als das angesehen werden, was 1957 geschah, ein Ereignis im Leben des Silicon Valley. Acht junge Wissenschaftler, bekannt als "Betrayal Eight", verließen Shockley Semiconductor. Nachdem sie gegangen waren, schlossen sie sich mit dem Geschäftsmann Sherman Fairchild zusammen und gründeten Fairchild Semiconductor, was zur Entstehung von Dutzenden von Startups und dem Wachstum des Tals selbst führte. Zwei der tückischen acht Moore und Noyce verließen später Fairchild und gründeten Intel.

Der Physiker Jean Hoerni (Jean Horney) aus derselben tückischen Acht arbeitete bei Fairchild an der Verbesserung von Transistoren und erzielte einen Erfolg, der alle Erwartungen übertraf. 1959 erfand er einen planaren Transistor und 1959 revolutionierte er die Herstellung von Halbleitern. Die planare Technologie beschichtet im Wesentlichen die Oberfläche eines Siliziumtransistors mit einer dünnen Schicht aus Siliziumoxid (wie ein mit Zuckerguss beschichteter Kuchen).

Interessanterweise sind die Transistoren im Operationsverstärkermodul (unten) identisch mit den ursprünglichen planaren Horney-Transistoren. Die Transistoren der 1970er Jahre und später sehen völlig anders aus, daher war es für mich etwas seltsam, Horneys ursprüngliches Design in diesem Modul zu finden.


npn-Transistor in einem Hybridmodul. Winzige Verbindungsdrähte sind mit der Basis und dem Emitter verbunden, und der Kollektor befindet sich an der Unterseite

Horney verließ Fairchild 1961 und half bei der Gründung einer Firma namens Amelco. Das Unternehmen konzentrierte sich auf die Entwicklung von Halbleitern für den Einsatz im Weltraum, die nicht direkt mit Fairchild konkurrierten. Lineare (analoge) integrierte Schaltkreise waren das Hauptprodukt von Amelco, als das Unternehmen Opamps für Philbrick (ein wegweisendes Opamp-Unternehmen) entwickelte. Darüber hinaus stellte Amelco diskrete Transistoren mithilfe der planaren Horney-Technologie her. Bei Amelco entwickelte Horney eine Technik zum Aufbau eines JFET-Transistors unter Verwendung seines planaren Prozesses. Diese Transistoren sind zu einem der beliebtesten Produkte von Amelco geworden.

Der Hauptvorteil des JFET besteht darin, dass der Eingangsstrom zum Gate des Transistors extrem klein ist, und dies ist eindeutig ein Vorteil für Operationsverstärker. Amelco verwendete Horneys JFET erstmals in der Produktion mit einem Hochleistungs-Operationsverstärker.

Bob Pease (Bob Pease) ist ein berühmter Designer von analogen Schaltkreisen, der diese Rätsel in der Geschichte miteinander verbindet. In den 1960er Jahren entwickelte Bob Pease Operationsverstärker für Philbrick, darunter den Hybrid-Operationsverstärker FET Q25AH (1965). Amelco hat diesen Operationsverstärker für Philbrick auf den Markt gebracht. Bob Pease besuchte das Unternehmen, um einige der Probleme bei der Herstellung des FET Q25AH zu lösen. Das Wesentliche der Geschichte: Während seines Besuchs trat Bob Pease in eine Diskussion mit Amelco-Ingenieuren ein. Das Diskussionsthema waren die Anforderungen der NASA an die Veröffentlichung eines neuen Verstärkers mit geringem Stromverbrauch und geringem Rauschen. Während der Kaffeepause gelang es Bob Pease, einen Operationsverstärker zu entwickeln, der den strengen Anforderungen der NASA entsprach. Dieser Operationsverstärker wurde in der seismischen Forschung eingesetzt. Apollo 12 ließ den Operationsverstärker 1969 auf dem Mond stehen. Jetzt ist einer dieser Operationsverstärker am Himmelskörper vorhanden. Amelco verkaufte es als 2401BG.

Der 2404BG, den ich hergestellt habe, ist dem 2401BG-Design des Bob Pease sehr ähnlich, daher vermute ich, dass er diese beiden Produkte entworfen hat. Der Operationsverstärker 2404BG hatte auch das Glück, zum Mond zu gelangen. Es wurde in einer Hochspannungsquelle verwendet, während die Zusammensetzung der Mondatmosphäre (LACE) untersucht wurde. LACE ist ein Massenspektrometer, das während der dritten Apollo 17 Jay-Mission 1972 auf dem Mond zurückgelassen wurde. (Unter Verwendung von LACE wurde festgestellt, dass die Atmosphäre auf dem Mond zwar fast nicht vorhanden ist, jedoch etwas Helium, Argon und möglicherweise Neon, Ammoniak, Methan und Kohlendioxid enthält.)

1966 gründete Amelco zusammen mit Philbrick den Teledyne Philbrick Nexus, der schließlich im Jahr 2000 von Microchip Technology übernommen wurde. Microchip stellt unter anderem die im Arduino verwendeten AVR-Mikrocontroller her.

In einem Hybrid-Operationsverstärker

In diesem Abschnitt werde ich das Design und Layout des Operationsverstärkers 2404BG genauer beschreiben. Auf dem Foto unten zeigt eine Nahaufnahme das Keramiksubstrat und die darauf befindlichen Komponenten. Grau gedruckte Linien auf Keramik sind elektrisch leitende Schaltungsspuren. Quadrate (die meisten von ihnen) sind npn- und pnp-Transistoren, die sich jeweils auf einer separaten Siliziummatrix befinden. Am Boden des Kristalls befindet sich ein Transistorkollektor, der mit einer Keramikspur verbunden ist. Am Emitter und an der Basis des Transistors sind winzige Golddrähte angebracht, die ihn mit der Schaltung verbinden. Die beiden rechteckigen Transistoren in der unteren rechten Ecke sind JFETs (Feldeffekttransistoren mit PN-Steuerübergang). Ein großes Quadrat in der Mitte ist ein Satz von Widerständen, ein weiterer Widerstand befindet sich in der oberen rechten Ecke. Bitte beachten Sie, dass Hybridmodule im Gegensatz zu integrierten Schaltkreisen eine Vielzahl teurer mechanischer Prozesse erfordern - Verarbeitung, Verkabelung, Anschluss einzelner Komponenten.



Ich habe die unten gezeigte Schaltung des Operationsverstärkermoduls reproduziert. Diese Schaltung sieht recht einfach aus, da Operationsverstärker mit etwa der Hälfte der Komponenten des klassischen Operationsverstärkers 741 arbeiten. Die Eingänge werden von JFETs (grün) gepuffert. Ein Differenzpaar (blau) verstärkt den Eingang, indem es Strom auf die eine oder die andere Seite des Paares leitet. Die Stromquelle (rot) erzeugt mithilfe eines Stromspiegels einen „winzigen“ Gleichstrom für das Differenzpaar. Ein zweistufiger Verstärker (orange) sorgt für zusätzliche Verstärkung. Ausgangstransistoren (lila) arbeiten in der AV-Klasse. Die übrigen (unbemalten) Komponenten liefern die Vorspannung der Ausgangstransistoren. Externe Kondensatoren an den Kontakten (8 und 9) verhindern, dass der Operationsverstärker schwingt.



Die meisten Widerstände befinden sich auf einem einzelnen Chip in der Mitte des Moduls. Dieser Kristall hat einen Durchmesser von 1,7 mm (1/16 "). Zickzackformen sind Dünnschichtwiderstände auf der Basis von Tantalverbindungen, die auf einem oxidbeschichteten Siliziumwafer abgeschieden sind. (Einer der Vorteile von Hybridschaltungen waren bessere Widerstände.) Der Widerstand ist proportional zur Länge Daher ermöglichten gewundene Formen das Platzieren von mehr Widerständen auf der Matrix. Um die Matrix herum befinden sich Metallsubstrate, Verbindungsdrähte, die an den Kontakten angebracht sind und die Widerstände mit anderen Teilen der Schaltung verbinden. Aufmerksamkeit auf den kleinen Kreis links in der Nähe der oberen rechten Unterlage: Eine der Neuerungen bei Amelco ist die Bezeichnung „Ziel“, um die für verschiedene Schichten des Chips verwendeten Masken auszurichten.



Für die Stromquellenschaltung war ein hochohmiger Widerstand erforderlich, daher wurde eine separate Widerstandsmatrix verwendet (siehe unten). Bei diesem Widerstand wurde eine längere, dünnere Spur verwendet, die einen höheren Widerstand verursachte als beim Widerstand auf dem vorherigen Chip.
Die Kristallgröße für diesen Widerstand beträgt 0,8 mm.



Das Foto unten zeigt einen Feldeffekttransistor mit einem Steuer-pn-Übergang, der in einem Operationsverstärker verwendet wird. Metallfinger verbinden sich mit den Source- und Drain-Bereichen. Das Transistorgatter ist von unten angeschlossen. Dieses Design ist fast identisch mit dem ersten planaren JFET, den Horney 1963 erfunden hat. Anfänglich war es schwierig, hochwertige JFETs auf einer integrierten Schaltung herzustellen, was die Herstellung von Hybrid-JFET-Operationsverstärkern populär machte. Erst 1974 entwickelten die Ingenieure von National Semiconductor ein Ionenimplantationsverfahren zur Herstellung hochwertiger JFET-Feldeffekttransistoren mit einer pn-Übergangssteuerung. Die Methode wurde "BIFET" genannt und wurde verwendet, um fortschrittlichere integrierte Schaltkreise für Operationsverstärker zu erstellen.

Das folgende Diagramm vergleicht die Struktur der npn- und pnp-Transistoren im Modul mit den obigen Fotos und dem folgenden Querschnittsdiagramm.


Feldeffekttransistor im Modul. Die Matrixgröße beträgt 0,6 × 0,3 mm

Womit beginnt ein Transistor? Mit einem quadratischen Siliziumkristall, der mit Verunreinigungen dotiert ist und n- und p-Bereiche (je nach Art der Leitfähigkeit) mit unterschiedlichen Eigenschaften bildet. Unter dem Mikroskop ist zu sehen, dass sich die mit Silizium dotierten n- und p-Zonen in der Farbe unterscheiden. Eine glänzende Metallschicht mit einer elektrischen Verbindung, die an einen zentralen Emitter angeschlossen ist, ist von oben sichtbar. Eine zweite elektrische Verbindung ist an den Hauptbereich um den Emitter angeschlossen; Dank der Tropfenform wird mehr Platz für die Befestigung der Hauptverbindung bereitgestellt.

Der Boden der Matrix ist ein Kollektor, der mit den Kontakten auf dem Keramiksubstrat verbunden ist. Der npn-Transistor folgt einer geraden planaren Struktur. Der pnp-Transistor benötigte jedoch einen zusätzlichen leitenden Ring, um den Operationsverstärker bei höheren Spannungen zu betreiben.


Vergleich von npn- und pnp-Transistoren in einem Modul

Fazit

Diese Komponente, die ich versehentlich entdeckt habe, erwies sich als interessanter als ich erwartet hatte. Es verflochten das Erscheinungsbild der ersten Philbrick-Operationsverstärker, die Entwicklung der analogen Schaltung von Bob Pease, die Geschichte des inzwischen vergessenen Amelco, die wissenschaftlichen Experimente der NASA auf dem Mond. Die Transistoren in diesem Modul wurden unter Verwendung der ursprünglichen planaren Konstruktionen von Horney gebaut, die einen Blick auf die Entwicklung des planaren Prozesses selbst ermöglichten, der einst die Welt der Halbleiter revolutionierte. Schließlich demonstrierte dieser Operationsverstärker die Fähigkeiten der Hybridtechnologie, die in integrierten Schaltkreisen fast vollständig fehlt.

Notizen und Links

1. Das Modul wurde in einem 12-poligen Standard-TO-8-Gehäuse verpackt. Die meisten integrierten Schaltkreise befinden sich im TO-5-Metallgehäuse, größere Hybridschaltkreise und Platz erfordern jedoch mehr.

2. „15818“ auf der Verpackung ist der CAGE-Code, die NATO-Kennung, mit der Lieferanten verfolgt werden. Zunächst identifizierte 15818 Amelko; Aufgrund des Zusammenschlusses gehört diese Nummer nun TelCom Semiconductor.

3. Das Buch " Die Geschichte der Halbleitertechnologie " beschreibt ausführlich die Geschichten verschiedener Halbleiterunternehmen und der in dieser Branche tätigen Personen. Eine detaillierte Geschichte der Operationsverstärker, einschließlich der Entwicklung des JFET-Operationsverstärkers in den 1970er Jahren, ist Walt Jungs Geschichte der Operationsverstärker .

4. Bob Pease hat die beliebte Überschrift Pease Porridge Analog Circuit verfasst . Er schrieb auch Bücher wie Troubleshooting Analog Circuits .

5. Ein Artikel von Bob Pease „ Was ist das - 2401BG? “ (S. 54) demonstriert das 2401BG-Schema (unten). Beim Vergleich der Schaltkreise kam ich zu dem Schluss, dass 2401BG dem von mir untersuchten 2404BG sehr ähnlich ist. (Um den Vergleich zu vereinfachen, habe ich die Funktionsblöcke gemäß dem 2404BG-Schema eingefärbt).



Der Hauptunterschied ist hier die Ausgangsstufe: 2401BG empfängt die Ausgabe direkt vom zweiten Paar, und für 2404BG ist die Betriebsklasse der Ausgangsstufe des Verstärkers AB. 2401BG verfügt über einen separaten Stromspiegel für die Eingangsbasis von npn-Transistoren.

6. Nachdem ich die Operationsverstärkerschaltung wiederhergestellt hatte, gelang es mir, ein Buch von 1968 mit einer Amelco-Hybrid-Operationsverstärkerschaltung zu finden. Diese beiden Schaltkreise sind nahezu identisch, mit der Ausnahme, dass in dem im Buch gezeigten Schaltkreis zwei Kondensatoren vorhanden sind, die im 2404BG extern sind.



Das Bild auf dem Foto des Hybrid-Operationsverstärkers im Buch unterscheidet sich von dem 2404BG, den ich untersucht habe. Die Teilenummer ist im Buch nicht angegeben (was zumindest seltsam ist), daher vermute ich, dass es sich nur um die Version 2404BG handelt, die sich in der Entwicklung befindet.

7. " Jack Haenichen Oral History / Oral History von Jack Hanikhan " und Patent 3226611

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