Sama seperti di bulan: rekayasa terbalik dari modul op amp hybrid

Baru-baru ini, komponen elektronik misterius dalam wadah logam jatuh ke tangan saya. Itu berbeda dari sirkuit terpadu yang biasa dalam penampilan - itu lebih datar dan lebih dimensional. Apa itu dan apa yang dimakan, menjadi jelas setelah membuka dan merekayasa balik sirkuit. Sebelum saya adalah penguat operasional yang dibuat untuk NASA pada 1960-an menggunakan teknologi hybrid. Ternyata beberapa orang penting mengambil bagian dalam pengembangan komponen ini dalam sejarah pengembangan semikonduktor, dan salah satu dari penguat operasional semacam itu terletak di bulan.



Untuk memahami prinsip pengoperasian komponen ini, saya harus memotong bagian atas kasing logam dengan gergaji perhiasan, di dalamnya ada sirkuit listrik. Sirkuit terintegrasi seperti itu tidak ada, di dalamnya ada modul hibrida besar, dirakit dari transistor kecil terpisah pada substrat keramik. Pada foto di bawah ini - pada substrat keramik, jalur konduktif keabu-abuan, yang terlihat seperti papan sirkuit tercetak. Transistor silikon yang terpisah (kotak mengkilap yang lebih kecil) melekat pada trek pada substrat. Kabel emas tipis menghubungkan komponen satu sama lain dan menghubungkan sirkuit ke kontak eksternal.



Sirkuit terpadu hibrida banyak digunakan pada tahun 1960 sebelum diganti dengan sirkuit terintegrasi yang lebih kompleks. (Misalnya, komputer IBM System / 360 yang populer (1964) dibangun dari modul hybrid, bukan sirkuit terintegrasi). Meskipun amplifier operasional pada sirkuit terintegrasi dirilis pada tahun 1963, hibrida masih tetap pada puncak popularitas sampai tahun 80-an.

Pada awalnya, saya tidak dapat mengidentifikasi bagian ini, jadi saya meminta bantuan Walt Jung, seorang ahli op-amp. Angka-angka pada kemasan menunjukkan Amelco. Ini membantu saya melacak sejarah penguat operasional 2404BG "rahasia" yang diproduksi oleh Amelco yang sekarang terlupakan. Barang itu dijual pada tahun 1969 dengan harga $ 58,50 (setara dengan sekitar $ 300 hari ini). Sebagai perbandingan, sekarang Anda dapat membeli amplifier operasional empat saluran modern dengan input JFET dengan harga kurang dari 25 sen.

Sedikit riwayat penguat operasional

Penguat operasional adalah salah satu komponen paling populer dari rangkaian analog, fleksibilitas dan keserbagunaan seperti itu membuatnya populer. Penguat operasional menerima dua tegangan input, membacanya, mengalikan perbedaan dengan nilai yang sangat besar (100.000 atau lebih) dan menampilkan hasilnya sebagai tegangan. Op-amp pada awalnya dirancang untuk melakukan operasi matematika dengan menggunakan tegangan sebagai kuantitas analog.

Dalam praktiknya, loop umpan balik membuat input hampir sama; tergantung pada skema umpan balik, penguat operasional dapat digunakan, misalnya, sebagai penguat, filter, integrator, pembeda atau penyangga. Orang kunci pada awal pengembangan amplifier operasional adalah George Philbrick. Dia adalah pendiri perusahaan eponymous George A. Philbrick Researches.

Sejarah komersial yang sukses dari penguat operasional dimulai pada tahun 1952 ketika Philbrick memperkenalkan op-amp K2-W , modul lampu ganda, yang membawa popularitas pada produk.

Sekarang mari kita beralih ke Jean Hoerni, pendiri perusahaan Amelco yang disebutkan di atas. Prasejarah dapat dianggap sebagai apa yang terjadi pada tahun 1957, sebuah peristiwa dalam kehidupan Lembah Silikon. Delapan ilmuwan muda, yang dikenal sebagai "Delapan Pengkhianatan," meninggalkan Shockley Semiconductor. Setelah pergi, mereka bekerja sama dengan pengusaha Sherman Fairchild dan mendirikan Fairchild Semiconductor, yang menyebabkan munculnya lusinan startup dan pertumbuhan lembah itu sendiri. Dua dari delapan Moore dan Noyce yang pengkhianat kemudian meninggalkan Fairchild dan mendirikan Intel.

Fisikawan Jean Hoerni (Jean Horney), dari delapan pengkhianat yang sama, bekerja di Fairchild untuk meningkatkan transistor dan mencapai kesuksesan yang melampaui semua harapan. Pada tahun 1959, ia menemukan transistor planar, dan pada tahun 1959 ia merevolusi pembuatan semikonduktor. Teknologi Planar pada dasarnya melapisi permukaan transistor silikon dengan lapisan tipis silikon oksida (seperti kue yang dilapisi dengan lapisan gula).

Menariknya, transistor dalam modul penguat operasional (di bawah) identik dalam penampilan dengan transistor planar Horney asli. Transistor tahun 1970-an dan kemudian terlihat sangat berbeda, jadi agak aneh bagi saya untuk menemukan desain asli Horney dalam modul ini.


transistor npn di dalam modul hybrid. Kabel dasi kecil terhubung ke dasar dan emitor, dan kolektor berada di bagian bawah

Horney meninggalkan Fairchild pada tahun 1961 dan membantu menemukan perusahaan bernama Amelco. Perusahaan fokus pada pengembangan semikonduktor untuk digunakan di ruang angkasa, yang tidak secara langsung bersaing dengan Fairchild. Sirkuit terpadu linier (analog) adalah produk utama Amelco ketika perusahaan menciptakan opamps untuk Philbrick (sebuah perusahaan opamp perintis). Selain itu, Amelco membuat transistor diskrit menggunakan teknologi Horney planar. Di Amelco, Horney mengembangkan teknik untuk membangun transistor JFET menggunakan proses planar-nya, transistor ini telah menjadi salah satu produk paling populer Amelco.

Keuntungan utama JFET adalah bahwa arus input ke gerbang transistor sangat kecil, dan ini jelas merupakan keuntungan bagi amplifier operasional. Amelco pertama kali menggunakan JFET Horney dalam produksi dengan op amp kinerja tinggi.

Bob Pease (Bob Pease) adalah perancang sirkuit analog terkenal, yang menghubungkan teka-teki ini dalam sejarah bersama. Pada 1960-an, Bob Pease mengembangkan penguat operasional untuk Philbrick, termasuk penguat operasional hibrida FET Q25AH (1965). Amelco meluncurkan op amp ini untuk Philbrick. Bob Pease mengunjungi perusahaan untuk membantu menangani beberapa masalah yang dihadapi dalam produksi FET Q25AH. Inti dari kisah ini: selama kunjungannya, Bob Pease mengadakan diskusi dengan para insinyur Amelco, topik diskusi adalah persyaratan NASA untuk merilis penguat daya rendah dan kebisingan baru. Selama rehat kopi, Bob Pease berhasil mengembangkan penguat operasional yang memenuhi persyaratan ketat NASA. Penguat operasional ini digunakan dalam penelitian seismik, Apollo 12 meninggalkan op-amp di bulan pada tahun 1969, jadi sekarang salah satu dari penguat operasional ini hadir pada benda langit. Amelco menjualnya dengan harga 2401BG.

Adapun 2404BG yang saya buat, tata letaknya sangat mirip dengan desain 2401BG Bob Pease, jadi saya curiga bahwa ia merancang dua produk ini. Penguat operasional 2404BG juga beruntung bisa sampai ke bulan; itu digunakan dalam sumber tegangan tinggi sambil mempelajari komposisi atmosfer bulan (LACE). LACE adalah spektrometer massa yang tersisa di bulan selama misi Apollo 17 Jay ketiga pada tahun 1972. (Dengan bantuan LACE, ditemukan bahwa, meskipun atmosfernya hampir tidak ada di bulan, ia memang mengandung sejumlah helium, argon dan, mungkin, neon, amonia, metana, dan karbon dioksida).

Pada tahun 1966, Amelco bekerja sama dengan Philbrick untuk membentuk Teledyne Philbrick Nexus, yang akhirnya diakuisisi oleh Microchip Technology pada tahun 2000. Antara lain, Microchip memproduksi mikrokontroler AVR yang digunakan di Arduino.

Di dalam op amp hybrid

Pada bagian ini, saya akan menjelaskan desain dan tata letak penguat operasional 2404BG secara lebih rinci. Pada foto di bawah - close-up menunjukkan substrat keramik dan komponen di atasnya. Garis abu-abu yang tercetak pada keramik adalah sirkuit listrik yang konduktif. Kotak (kebanyakan dari mereka) adalah transistor npn dan pnp, masing-masing pada matriks silikon yang terpisah. Di bagian bawah kristal adalah kolektor transistor yang terhubung ke jalur keramik. Kabel emas kecil melekat pada emitor dan basis transistor, menghubungkannya ke sirkuit. Dua transistor persegi panjang di sudut kanan bawah adalah JFET (transistor efek medan dengan persimpangan kontrol PN). Kotak besar di tengah adalah serangkaian resistor, resistor lain terletak di sudut kanan atas. Harap dicatat, tidak seperti sirkuit terintegrasi, modul hybrid memerlukan sejumlah besar proses mekanis yang mahal - pemrosesan, perkabelan, menghubungkan komponen-komponen individual.



Saya mereproduksi rangkaian modul penguat operasional yang ditunjukkan di bawah ini. Sirkuit ini terlihat cukup sederhana, karena penguat operasional bekerja dengan sekitar setengah dari komponen op-amp 741 klasik. Inputnya buffered oleh JFET (hijau). Pasangan diferensial (biru) menguatkan input dengan mengarahkan arus di satu sisi pasangan atau di sisi lain. Sumber arus (merah) menghasilkan arus searah "kecil" untuk pasangan diferensial menggunakan cermin saat ini. Penguat dua tahap (oranye) memberikan penguatan tambahan. Transistor output (ungu) berfungsi di kelas AV. Komponen yang tersisa (tidak dicat) memasok tegangan bias dari transistor keluaran. Kapasitor eksternal pada kontak (8 dan 9) mencegah op-amp dari osilasi.



Sebagian besar resistor terletak pada satu chip di tengah modul; kristal ini memiliki diameter 1,7 mm (1/16 "). Bentuk Zigzag adalah resistor film tipis berdasarkan senyawa tantalum yang diendapkan pada wafer silikon berlapis oksida. (Salah satu keunggulan sirkuit hybrid adalah resistor yang lebih baik). Resistansi sebanding dengan panjang oleh karena itu bentuk berliku memungkinkan menempatkan lebih banyak resistor pada matriks. Di sekeliling matriks ada substrat logam, menghubungkan kabel yang melekat pada kontak yang menghubungkan resistor ke bagian lain dari rangkaian. Perhatian pada lingkaran kecil di sebelah kiri di dekat lapisan kanan atas: salah satu inovasi di Amelco adalah penunjukan "target" untuk menyelaraskan topeng yang digunakan untuk berbagai lapisan chip.



Resistansi resistansi tinggi diperlukan untuk rangkaian sumber arus, sehingga matriks resistor terpisah digunakan di dalamnya (di bawah). Jalur yang lebih panjang dan lebih tipis digunakan pada resistor ini, yang menyebabkan resistansi yang lebih tinggi daripada pada resistor pada chip sebelumnya.
Ukuran kristal untuk resistor ini adalah 0,8 mm.



Foto di bawah ini menunjukkan transistor efek medan dengan persimpangan kontrol pn, yang digunakan dalam penguat operasional. Jari-jari logam terhubung ke sumber dan daerah pembuangan. Gerbang transistor terhubung dari bawah. Desain ini hampir identik dengan planar JFET pertama yang ditemukan oleh Horney pada tahun 1963. Awalnya, sulit untuk menghasilkan JFET berkualitas tinggi pada sirkuit terintegrasi, yang mempopulerkan produksi amplifier operasional JFET hibrida. Tidak sampai 1974 bahwa insinyur National Semiconductor mengembangkan metode implantasi ion untuk pembuatan transistor efek medan JFET berkualitas tinggi dengan kontrol persimpangan pn. Metode ini disebut "BIFET" dan digunakan untuk membuat sirkuit terintegrasi yang lebih maju untuk amplifier operasional.

Diagram di bawah ini membandingkan struktur transistor npn dan pnp dalam modul dengan foto-foto di atas dan diagram penampang di bawah ini.


Transistor efek medan di dalam modul. Ukuran matriks adalah 0,6 × 0,3 mm

Apa yang dimulai dengan transistor? Dengan kristal silikon persegi, yang didoping dengan pengotor, yang membentuk daerah n dan p (tergantung pada jenis konduktivitas) dengan karakteristik yang berbeda. Di bawah mikroskop, terlihat bahwa zona n dan p silikon-doped berbeda dalam warna. Lapisan logam mengkilap dengan satu sambungan listrik yang melekat pada emitor pusat terlihat dari atas. Sambungan listrik kedua terpasang ke area utama di sekitar emitor; berkat bentuk tetesan air mata, lebih banyak ruang yang dialokasikan untuk memperbaiki koneksi utama.

Bagian bawah matriks adalah kolektor yang menghubungkan ke kontak pada substrat keramik. Transistor npn mengikuti struktur planar lurus. Transistor pnp, bagaimanapun, memerlukan cincin konduktif tambahan untuk mengoperasikan op amp pada tegangan yang lebih tinggi.


Perbandingan transistor npn dan pnp dalam sebuah modul

Kesimpulan

Komponen ini, yang saya temukan secara tidak sengaja, ternyata lebih menarik dari yang saya harapkan. Ini terjalin penampilan penguat operasional Philbrick pertama, pengembangan sirkuit analog Bob Pease, sejarah Amelco yang sekarang dilupakan, percobaan ilmiah NASA di Bulan. Transistor di dalam modul ini dibangun menggunakan desain planar asli Horney, yang memungkinkan pengembangan proses planar itu sendiri, yang pada suatu waktu merevolusi dunia semikonduktor. Akhirnya, penguat operasional ini menunjukkan kemampuan teknologi hybrid, yang hampir sepenuhnya tidak ada di sirkuit terintegrasi.

Catatan dan tautan

1. Modul ini dikemas dalam paket standar TO-8 12-pin. Sebagian besar sirkuit terintegrasi berada dalam casing logam TO-5, tetapi sirkuit hybrid yang lebih besar dan ruang membutuhkan lebih banyak.

2. "15818" pada kemasan adalah kode CAGE, pengenal NATO yang digunakan untuk melacak pemasok. Awalnya, 15818 mengidentifikasi Amelko; karena merger, nomor ini sekarang dimiliki oleh TelCom Semiconductor.

3. Buku " The History of Semiconductor Technology " menjelaskan dengan sangat rinci kisah-kisah berbagai perusahaan semikonduktor dan orang-orang yang terlibat dalam industri ini. Sejarah terperinci dari penguat operasional, termasuk pengembangan op-amp JFET pada tahun 1970-an, adalah Sejarah Penguat Operasional Walt Jung.

4. Bob Pease telah mengarang judul rangkaian analog Pease Porridge yang populer. Dia juga menulis buku-buku seperti Troubleshooting Analog Circuits .

5. Sebuah artikel oleh Bob Pease “ Hal macam apa ini - 2401BG? ” (Hal. 54) menunjukkan skema 2401BG (di bawah). Membandingkan sirkuit, saya sampai pada kesimpulan bahwa 2401BG sangat mirip dengan 2404BG yang saya selidiki. (Untuk menyederhanakan perbandingan, saya mewarnai blok fungsi sesuai dengan skema 2404BG).



Perbedaan utama di sini adalah tahap output: 2401BG menerima output langsung dari pasangan kedua, dan untuk 2404BG kelas dari tahap output penguat adalah AB. 2401BG memiliki cermin arus terpisah untuk basis input transistor npn.

6. Setelah saya memulihkan sirkuit op amp, saya berhasil menemukan buku 1968 dengan sirkuit op amp hybrid Amelco. Kedua sirkuit ini hampir identik, kecuali bahwa dalam sirkuit yang ditunjukkan dalam buku ini ada dua kapasitor yang eksternal di 2404BG.



Gambar dalam foto op-amp hybrid dalam buku ini berbeda dari 2404BG yang telah saya pelajari. Nomor bagian tidak ditunjukkan dalam buku (yang paling tidak aneh), jadi saya menduga itu hanya versi 2404BG, yang sedang dalam pengembangan.

7. " Sejarah lisan Jack Haenichen / Sejarah Lisan Jack Hanikhan " dan paten 3226611

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim panas gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?