Comme sur la Lune: ingénierie inverse d'un module d'ampli op hybride

Récemment, un mystérieux composant électronique dans un boîtier métallique est tombé entre mes mains. Il différait du circuit intégré habituel en apparence - il était plus plat et plus dimensionnel. Ce qu'il est et ce avec quoi il est mangé, il est devenu clair après l'ouverture et la rétro-ingénierie du circuit. Avant moi était un amplificateur opérationnel créé pour la NASA dans les années 1960 en utilisant la technologie hybride. Il s'avère que plusieurs personnes importantes ont participé au développement de ce composant dans l'histoire du développement des semi-conducteurs, et l'un de ces amplificateurs opérationnels est situé sur la lune.



Pour comprendre le principe de fonctionnement de ce composant, j'ai dû couper la partie supérieure du boîtier métallique avec une scie à bijoux, à l'intérieur se trouvait un circuit électrique. Le circuit intégré en tant que tel était absent, à l'intérieur se trouvait un grand module hybride, assemblé à partir de minuscules transistors séparés sur un substrat en céramique. Sur la photo ci-dessous - sur un substrat en céramique, des chemins conducteurs grisâtres, qui ressemblent à une carte de circuit imprimé. Des transistors séparés en silicium (petits carrés brillants) sont attachés aux pistes du substrat. De fins fils d'or connectent les composants les uns aux autres et connectent le circuit à des contacts externes.



Les circuits intégrés hybrides étaient largement utilisés dans les années 1960 avant d'être remplacés par des circuits intégrés plus complexes. (Par exemple, les ordinateurs IBM System / 360 populaires (1964) ont été construits à partir de modules hybrides et non de circuits intégrés). Bien que des amplificateurs opérationnels sur circuits intégrés soient sortis en 1963, les hybrides sont restés au sommet de la popularité jusqu'aux années 80.

Au début, je ne pouvais pas identifier cette partie, alors j'ai demandé de l'aide à Walt Jung, un expert en amplificateurs opérationnels. Les numéros sur l'emballage indiquent Amelco. Cela m'a aidé à retracer l'histoire de l'amplificateur opérationnel «secret» 2404BG fabriqué par Amelco, aujourd'hui oublié. L'article a été vendu en 1969 pour 58,50 $ (équivalent à environ 300 $ aujourd'hui). À titre de comparaison, vous pouvez maintenant acheter un amplificateur opérationnel à quatre canaux moderne avec une entrée JFET pour moins de 25 cents.

Un peu d'histoire de l'amplificateur opérationnel

L'amplificateur opérationnel est l'un des composants les plus populaires des circuits analogiques; une telle flexibilité et polyvalence lui confèrent une telle popularité. L'amplificateur opérationnel reçoit deux tensions d'entrée, les lit, multiplie la différence par une valeur énorme (100 000 ou plus) et affiche le résultat sous forme de tension. L'ampli-op a été initialement conçu pour effectuer des opérations mathématiques en utilisant la tension comme une quantité analogique.

En pratique, la boucle de rétroaction rend les entrées presque égales; selon le schéma de rétroaction, l'amplificateur opérationnel peut être utilisé, par exemple, comme amplificateur, filtre, intégrateur, différenciateur ou tampon. La personne clé au début du développement des amplificateurs opérationnels était George Philbrick. Il était le fondateur de la société éponyme George A. Philbrick Researches.

L'histoire commerciale réussie de l'amplificateur opérationnel a commencé en 1952 lorsque Philbrick a présenté l' ampli op K2-W , un module à deux lampes, qui a rendu le produit populaire.

Passons maintenant à Jean Hoerni, fondateur de la société susmentionnée Amelco. La préhistoire peut être considérée comme ce qui s'est passé en 1957, un événement dans la vie de la Silicon Valley. Huit jeunes scientifiques, connus sous le nom de «Betrayal Eight», ont quitté Shockley Semiconductor. Après leur départ, ils se sont associés à l'homme d'affaires Sherman Fairchild et ont fondé Fairchild Semiconductor, ce qui a conduit à l'émergence de dizaines de startups et à la croissance de la vallée elle-même. Deux des huit perfides Moore et Noyce ont ensuite quitté Fairchild et fondé Intel.

Le physicien Jean Hoerni (Jean Horney), du même huit perfide, a travaillé chez Fairchild pour améliorer les transistors et a obtenu un succès qui a dépassé toutes les attentes. En 1959, il a inventé un transistor plan, et en 1959, il a révolutionné la fabrication de semi-conducteurs. La technologie planaire consiste essentiellement à recouvrir la surface d'un transistor en silicium d'une fine couche d'oxyde de silicium (comme un gâteau recouvert de glaçage).

Fait intéressant, les transistors du module amplificateur opérationnel (ci-dessous) sont identiques en apparence aux transistors planaires Horney d'origine. Les transistors des années 1970 et plus tard ont l'air complètement différents, donc c'était un peu étrange pour moi de trouver le design original d'Horney dans ce module.


transistor npn à l'intérieur d'un module hybride. De minuscules fils de connexion sont connectés à la base et à l'émetteur, et le collecteur est sur la face inférieure

Horney a quitté Fairchild en 1961 et a aidé à fonder une entreprise appelée Amelco. L'entreprise s'est concentrée sur le développement de semi-conducteurs destinés à être utilisés dans l'espace, qui ne concurrençaient pas directement Fairchild. Les circuits intégrés linéaires (analogiques) étaient le principal produit d'Amelco, car la société a créé des amplificateurs opérationnels pour Philbrick (une société pionnière des amplificateurs opérationnels). De plus, Amelco a fabriqué des transistors discrets en utilisant la technologie planaire Horney. Chez Amelco, Horney a développé une technique pour construire un transistor JFET en utilisant son processus planaire; ces transistors sont devenus l'un des produits les plus populaires d'Amelco.

Le principal avantage du JFET est que le courant d'entrée vers la grille du transistor est extrêmement faible, ce qui est clairement un avantage pour les amplificateurs opérationnels. Amelco a d'abord utilisé le JFET d'Horney en production avec un ampli op haute performance.

Bob Pease (Bob Pease) est un célèbre concepteur de circuits analogiques, relie ces puzzles de l'histoire ensemble. Dans les années 1960, Bob Pease a développé des amplificateurs opérationnels pour Philbrick, y compris l'amplificateur opérationnel hybride FET Q25AH (1965). Amelco a lancé cet ampli op pour Philbrick. Bob Pease a rendu visite à la société afin d'aider à résoudre certains des problèmes rencontrés dans la production du FET Q25AH. L'essence de l'histoire: lors de sa visite, Bob Pease a entamé une discussion avec les ingénieurs d'Amelco, le sujet de la discussion était les exigences de la NASA pour la sortie d'un nouvel amplificateur à faible puissance et à faible bruit. Pendant la pause-café, Bob Pease a réussi à développer un amplificateur opérationnel qui répondait aux exigences strictes de la NASA. Cet amplificateur opérationnel a été utilisé dans la recherche sismique, Apollo 12 a quitté l'ampli opérationnel sur la lune en 1969, alors maintenant l'un de ces amplificateurs opérationnels est présent sur le corps céleste. Amelco l'a vendu sous le nom 2401BG.

Quant au 2404BG que j'ai fabriqué, son agencement est très similaire à celui du Bob Pease 2401BG, donc je soupçonne qu'il a conçu ces deux produits. L'amplificateur opérationnel 2404BG a également eu la chance d'atteindre la lune; il a été utilisé dans une source haute tension lors de l'étude de la composition de l'atmosphère lunaire (LACE). LACE est un spectromètre de masse laissé sur la lune lors de la troisième mission Apollo 17 Jay en 1972. (En utilisant LACE, il a été constaté que bien que l'atmosphère soit presque absente sur la lune, elle contient de l'hélium, de l'argon et peut-être du néon, de l'ammoniac, du méthane et du dioxyde de carbone).

En 1966, Amelco s'est associé à Philbrick pour former le Teledyne Philbrick Nexus, qui a finalement été acquis par Microchip Technology en 2000. Entre autres choses, Microchip fabrique les microcontrôleurs AVR utilisés dans l'Arduino.

À l'intérieur d'un ampli opérationnel hybride

Dans cette section, je décrirai plus en détail la conception et la disposition de l'amplificateur opérationnel 2404BG. Sur la photo ci-dessous - un gros plan montre le substrat en céramique et les composants qui s'y trouvent. Les lignes imprimées en gris sur la céramique sont des pistes de circuits électriquement conductrices. Les carrés (la plupart d'entre eux) sont des transistors npn et pnp, chacun sur une matrice de silicium séparée. Au fond du cristal se trouve un collecteur à transistors connecté à une piste en céramique. De minuscules fils d'or sont attachés à l'émetteur et à la base du transistor, le connectant au circuit. Les deux transistors rectangulaires dans le coin inférieur droit sont des JFET (transistors à effet de champ avec jonction de commande PN). Un grand carré au milieu est un ensemble de résistances, une autre résistance est située dans le coin supérieur droit. Veuillez noter que, contrairement aux circuits intégrés, les modules hybrides nécessitent un grand nombre de processus mécaniques coûteux - traitement, câblage, connexion de composants individuels.



J'ai reproduit le circuit du module amplificateur opérationnel illustré ci-dessous. Ce circuit semble assez simple, car les amplificateurs opérationnels fonctionnent avec environ la moitié des composants de l'ampli opérationnel 741. Les entrées sont tamponnées par des JFET (verts). Une paire différentielle (bleue) amplifie l'entrée en dirigeant le courant d'un côté de la paire ou de l'autre. La source de courant (rouge) génère un «petit» courant continu pour la paire différentielle à l'aide d'un miroir de courant. Un amplificateur à deux étages (orange) fournit une amplification supplémentaire. Les transistors de sortie (violets) fonctionnent dans la classe AV. Les composants restants (non peints) fournissent la tension de polarisation des transistors de sortie. Des condensateurs externes sur les contacts (8 et 9) empêchent l'ampli op d'osciller.



La plupart des résistances sont situées sur une seule puce au milieu du module; ce cristal a un diamètre de 1,7 mm (1/16 "). Les formes en zigzag sont des résistances à couches minces à base de composés de tantale déposés sur une tranche de silicium revêtue d'oxyde. (Un des avantages des circuits hybrides était de meilleures résistances). La résistance est proportionnelle à la longueur , de sorte que les formes sinueuses ont permis de placer plus de résistances sur la matrice. Autour de la matrice sont des substrats métalliques, des fils de connexion attachés aux contacts reliant les résistances à d'autres parties du circuit. attention au petit cercle à gauche près de la sous-couche supérieure droite: l'une des innovations d'Amelco est la désignation de «cible» afin d'aligner les masques utilisés pour les différentes couches de la puce.



Une résistance à haute résistance était nécessaire pour le circuit de source de courant, donc une matrice de résistance séparée a été utilisée à l'intérieur (ci-dessous). Une piste plus longue et plus mince a été utilisée dans cette résistance, ce qui a provoqué une résistance plus élevée que dans la résistance de la puce précédente.
La taille des cristaux de cette résistance est de 0,8 mm.



La photo ci-dessous montre un transistor à effet de champ avec une jonction pn de contrôle, qui est utilisé dans un amplificateur opérationnel. Les doigts métalliques se connectent aux zones source et drain. La grille du transistor est connectée par le bas. Cette conception est presque identique au premier JFET planaire inventé par Horney en 1963. Au départ, il était difficile de produire des JFET de haute qualité sur un circuit intégré, ce qui a popularisé la production d'amplificateurs opérationnels JFET hybrides. Ce n'est qu'en 1974 que les ingénieurs de National Semiconductor ont développé une méthode d'implantation ionique pour fabriquer des transistors à effet de champ JFET de haute qualité avec une commande de jonction pn. La méthode a été appelée "BIFET" et a été utilisée pour créer des circuits intégrés plus avancés pour les amplificateurs opérationnels.

Le diagramme ci-dessous compare la structure des transistors npn et pnp dans le module avec les photos ci-dessus et le diagramme en coupe ci-dessous.


Transistor à effet de champ à l'intérieur du module. La taille de la matrice est de 0,6 × 0,3 mm

Par quoi commence un transistor? Avec un cristal de silicium carré, dopé aux impuretés, qui forme des régions n et p (selon le type de conductivité) avec des caractéristiques différentes. Au microscope, on voit que les zones n et p dopées au silicium diffèrent en couleur. Une couche de métal brillant avec une connexion électrique attachée à un émetteur central est visible d'en haut. Une deuxième connexion électrique est attachée à la zone principale autour de l'émetteur; grâce à la forme de larme, plus d'espace est alloué pour la fixation de la connexion principale.

Le bas de la matrice est un collecteur qui se connecte aux contacts sur le substrat en céramique. Le transistor npn suit une structure plane droite. Le transistor pnp, cependant, nécessitait un anneau conducteur supplémentaire pour faire fonctionner l'ampli opérationnel à des tensions plus élevées.


Comparaison des transistors npn et pnp dans un module

Conclusion

Ce composant, que j'ai accidentellement découvert, s'est avéré être plus intéressant que ce à quoi je m'attendais. Il entrelace l'apparition des premiers amplificateurs opérationnels Philbrick, le développement du circuit analogique de Bob Pease, l'histoire d'Amelco, aujourd'hui oubliée, les expériences scientifiques de la NASA sur la Lune. Les transistors à l'intérieur de ce module ont été construits en utilisant les conceptions planaires originales de Horney, ce qui a permis de jeter un coup d'œil au développement du processus planaire lui-même, qui a à un moment révolutionné le monde des semi-conducteurs. Enfin, cet amplificateur opérationnel a démontré les capacités de la technologie hybride, qui est presque totalement absente dans les circuits intégrés.

Notes et liens

1. Le module était conditionné dans un boîtier TO-8 à 12 broches standard. La plupart des circuits intégrés se trouvent dans le boîtier métallique TO-5, mais les circuits hybrides et l'espace plus volumineux nécessitent plus.

2. «15818» sur l'emballage est le code CAGE, l'identifiant OTAN utilisé pour suivre les fournisseurs. Au départ, 15818 ont identifié Amelko; en raison de la fusion, ce numéro appartient désormais à TelCom Semiconductor.

3. Le livre " L'histoire de la technologie des semi-conducteurs " décrit en détail les histoires de diverses sociétés de semi-conducteurs et de personnes impliquées dans cette industrie. Une histoire détaillée des amplificateurs opérationnels, y compris le développement de l'ampli op JFET dans les années 1970, est l' histoire des amplificateurs opérationnels de Walt Jung.

4. Bob Pease est l'auteur du titre de circuit analogique Pease Porridge . Il a également écrit des livres tels que Dépannage des circuits analogiques .

5. Un article de Bob Pease « Quel genre de chose est-ce - 2401BG? » (P. 54) illustre le schéma 2401BG (ci-dessous). En comparant les circuits, je suis arrivé à la conclusion que le 2401BG est très similaire au 2404BG que j'ai étudié. (Pour simplifier la comparaison, j'ai colorisé les blocs fonctionnels conformément au schéma 2404BG).



La principale différence est ici l'étage de sortie: 2401BG reçoit la sortie directement de la deuxième paire, et pour 2404BG la classe de fonctionnement de l'étage de sortie de l'amplificateur est AB. Le 2401BG possède un miroir de courant séparé pour les bases d'entrée des transistors npn.

6. Après avoir restauré le circuit d'ampli op, j'ai réussi à trouver un livre de 1968 avec un circuit d'ampli op hybride Amelco. Ces deux circuits sont presque identiques, sauf que dans le circuit illustré dans le livre, il y a deux condensateurs externes dans le 2404BG.



L'image sur la photo de l'ampli-op hybride dans le livre est différente du 2404BG que j'ai étudié. Le numéro de pièce n'est pas indiqué dans le livre (ce qui est au moins étrange), donc je soupçonne que ce n'était que la version 2404BG, qui est en cours de développement.

7. " Histoire orale de Jack Haenichen / Histoire orale de Jack Hanikhan " et brevet 3226611

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