Recentemente, um misterioso componente eletrônico em uma caixa de metal caiu em minhas mãos. A aparência era diferente do habitual circuito integrado - era mais plana e dimensional. O que é e o que é consumido ficou claro após a abertura e a engenharia reversa do circuito. Antes de mim havia um amplificador operacional criado para a NASA na década de 1960 usando tecnologia híbrida. Acontece que várias pessoas importantes participaram do desenvolvimento desse componente na história do desenvolvimento de semicondutores, e um desses amplificadores operacionais está localizado na lua.
Para entender o princípio de operação desse componente, tive que cortar a parte superior da caixa de metal com uma serra de jóias, por dentro havia um circuito elétrico. O circuito integrado, como tal, estava ausente, por dentro havia um grande módulo híbrido, montado a partir de minúsculos transistores separados em um substrato de cerâmica. Na foto abaixo - em um substrato cerâmico, caminhos condutores acinzentados, que se parecem com uma placa de circuito impresso. Transistores de silício separados (quadrados brilhantes menores) são anexados às faixas no substrato. Fios dourados finos conectam componentes entre si e conectam o circuito a contatos externos.
Os circuitos integrados híbridos foram amplamente utilizados na década de 1960 antes de serem substituídos por circuitos integrados mais complexos. (Por exemplo, os populares computadores IBM System / 360 (1964) foram construídos a partir de módulos híbridos, não de circuitos integrados). Embora os amplificadores operacionais em circuitos integrados tenham sido lançados em 1963, os híbridos ainda permaneceram no pico de popularidade até os anos 80.
No começo, não consegui identificar essa parte, então pedi ajuda a Walt Jung, especialista em amplificadores operacionais. Os números na embalagem indicavam a Amelco. Isso me ajudou a rastrear a história do amplificador operacional "secreto" 2404BG fabricado pela agora esquecida Amelco. O item foi vendido em 1969 por US $ 58,50 (equivalente a cerca de US $ 300 hoje). Para comparação, agora você pode comprar um amplificador operacional moderno de quatro canais com uma entrada JFET por menos de 25 centavos.
Um pouco da história do amplificador operacional
O amplificador operacional é um dos componentes mais populares dos circuitos analógicos; essa flexibilidade e versatilidade proporcionam tanta popularidade. O amplificador operacional recebe duas tensões de entrada, lê-as, multiplica a diferença por um valor enorme (100.000 ou mais) e exibe o resultado como uma tensão. O amplificador operacional foi originalmente projetado para executar operações matemáticas usando a tensão como uma quantidade analógica.
Na prática, o loop de feedback torna as entradas quase iguais; dependendo do esquema de feedback, o amplificador operacional pode ser usado, por exemplo, como amplificador, filtro, integrador, diferenciador ou buffer. A pessoa-chave no início do desenvolvimento de amplificadores operacionais foi George Philbrick. Ele foi o fundador da empresa homônima George A. Philbrick Researches.
A história comercial bem-sucedida do amplificador operacional começou em 1952, quando Philbrick lançou o
K2-W op-amp , um módulo de lâmpada dupla, que trouxe popularidade ao produto.
Agora vamos para Jean Hoerni, o fundador da empresa Amelco acima mencionada. A pré-história pode ser considerada o que aconteceu em 1957, um evento na vida do Vale do Silício. Oito jovens cientistas, conhecidos como "Oito da Traição", deixaram a Shockley Semiconductor. Após a partida, eles se uniram ao empresário Sherman Fairchild e fundaram a Fairchild Semiconductor, o que levou ao surgimento de dezenas de startups e ao crescimento do próprio vale. Dois dos oito traiçoeiros Moore e Noyce mais tarde deixaram Fairchild e fundaram a Intel.
O físico Jean Hoerni (Jean Horney), dos mesmos oito traiçoeiros, trabalhou na Fairchild para melhorar os transistores e alcançou um sucesso que superou todas as expectativas. Em 1959, ele inventou um transistor planar e, em 1959, revolucionou a fabricação de semicondutores. A tecnologia planar é essencialmente revestir a superfície de um transistor de silício com uma fina camada de óxido de silício (como um bolo revestido com glacê).
Curiosamente, os transistores no módulo amplificador operacional (abaixo) são idênticos em aparência aos transistores planares Horney originais. Os transistores dos anos 70 e mais tarde parecem completamente diferentes, então foi um pouco estranho encontrar o design original de Horney neste módulo.
transistor npn dentro de um módulo híbrido. Pequenos fios de ligação são conectados à base e ao emissor e o coletor está na parte de baixoHorney deixou a Fairchild em 1961 e ajudou a fundar uma empresa chamada Amelco. A empresa se concentrou no desenvolvimento de semicondutores para uso no espaço, que não competiam diretamente com a Fairchild. Os circuitos integrados lineares (analógicos) foram o principal produto da Amelco, pois a empresa criou opamps para a Philbrick (uma empresa pioneira em opamp). Além disso, a Amelco fabricou transistores discretos usando a tecnologia planar Horney. Na Amelco, Horney desenvolveu uma técnica para a construção de um transistor JFET usando seu processo plano; esses transistores se tornaram um dos produtos mais populares da Amelco.
A principal vantagem do JFET é que a corrente de entrada na porta do transistor é extremamente pequena, e isso é claramente uma vantagem para os amplificadores operacionais. A Amelco usou o JFET de Horney pela primeira vez na produção com um amplificador operacional de alto desempenho.
Bob Pease (Bob Pease) é um famoso designer de circuitos analógicos, conecta esses quebra-cabeças da história. Na década de 1960, Bob Pease desenvolveu amplificadores operacionais para Philbrick, incluindo o amplificador operacional híbrido FET Q25AH (1965). A Amelco lançou este amplificador operacional para Philbrick. Bob Pease visitou a empresa para ajudar a lidar com alguns dos problemas encontrados na produção do FET Q25AH. A essência da história: durante sua visita, Bob Pease entrou em uma discussão com os engenheiros da Amelco, o tópico da discussão foram os requisitos da NASA para o lançamento de um novo amplificador de baixa potência e baixo ruído. Durante o intervalo do café, Bob Pease conseguiu desenvolver um amplificador operacional que atendesse aos rigorosos requisitos da NASA. Este amplificador operacional foi usado em pesquisas sísmicas, a Apollo 12 deixou o amplificador operacional na lua em 1969, então agora um desses amplificadores operacionais está presente no corpo celeste. A Amelco o vendeu como 2401BG.
Quanto ao 2404BG que identifiquei, seu layout é muito semelhante ao design 2401BG de Bob Pease, então suspeito que ele tenha projetado esses dois produtos. O amplificador operacional 2404BG também teve a sorte de chegar à lua; foi usado em uma fonte de alta tensão enquanto estudava a composição da atmosfera lunar (LACE). O LACE é um espectrômetro de massa deixado na Lua durante a terceira missão da Apollo 17 Jay em 1972. (Com a ajuda do LACE, verificou-se que, embora a atmosfera esteja quase ausente na lua, ela contém uma certa quantidade de hélio, argônio e, possivelmente, néon, amônia, metano e dióxido de carbono).
Em 1966, a Amelco se uniu à Philbrick para formar o Teledyne Philbrick Nexus, que foi adquirido pela Microchip Technology em 2000. Entre outras coisas, a Microchip fabrica os microcontroladores AVR usados no Arduino.
Dentro de um amplificador operacional híbrido
Nesta seção, descreverei o design e o layout do amplificador operacional 2404BG com mais detalhes. Na foto abaixo - um close mostra o substrato cerâmico e os componentes nele. Linhas impressas cinza na cerâmica são trilhas de circuito eletricamente condutoras. Os quadrados (a maioria deles) são transistores npn e pnp, cada um em uma matriz de silício separada. No fundo do cristal há um coletor de transistor conectado a uma pista de cerâmica. Pequenos fios de ouro são conectados ao emissor e à base do transistor, conectando-o ao circuito. Os dois transistores retangulares no canto inferior direito são JFETs (transistores de efeito de campo com junção de controle PN). Um quadrado grande no meio é um conjunto de resistores, outro resistor está localizado no canto superior direito. Observe que, diferentemente dos circuitos integrados, os módulos híbridos exigem um grande número de processos mecânicos caros - processamento, fiação, conexão de componentes individuais.
Reproduzi o circuito do módulo amplificador operacional mostrado abaixo. Esse circuito parece bastante simples, pois os amplificadores operacionais funcionam com cerca da metade dos componentes do amplificador operacional clássico 741. As entradas são armazenadas em buffer pelos JFETs (verde). Um par diferencial (azul) amplifica a entrada direcionando a corrente de um lado do par ou do outro. A fonte de corrente (vermelha) gera uma corrente direta “minúscula” para o par diferencial usando um espelho de corrente. Um amplificador de dois estágios (laranja) fornece amplificação adicional. Os transistores de saída (roxos) funcionam na classe AV. Os componentes restantes (sem pintura) fornecem a tensão de polarização dos transistores de saída. Os capacitores externos nos contatos (8 e 9) impedem a oscilação do amplificador operacional.
A maioria dos resistores está localizada em um único chip no meio do módulo; este cristal tem um diâmetro de 1,7 mm (1/16 "). As formas em zigue-zague são resistores de filme fino baseados em compostos de tântalo depositados em uma pastilha de silício revestida com óxido. (Uma das vantagens dos circuitos híbridos eram os melhores resistores). A resistência é proporcional ao comprimento , portanto, as formas sinuosas possibilitaram a colocação de mais resistores na matriz. Ao redor da matriz são substratos metálicos, conectando fios conectados aos contatos conectados aos resistores a outras partes do circuito. atenção ao pequeno círculo à esquerda, próximo à base superior direita: uma das inovações da Amelco é a designação de “alvo”, a fim de alinhar as máscaras usadas nas diferentes camadas do chip.
Foi necessário um resistor de alta resistência para o circuito da fonte de corrente; portanto, uma matriz de resistor separada foi usada (abaixo). Uma trilha mais fina e mais longa foi usada neste resistor, o que causou uma resistência maior do que no resistor do chip anterior.
O tamanho do cristal para esse resistor é de 0,8 mm.
A foto abaixo mostra um transistor de efeito de campo com uma junção pn de controle, que é usada em um amplificador operacional. Dedos de metal se conectam às áreas de origem e drenagem. A porta do transistor está conectada por baixo. Esse projeto é quase idêntico ao primeiro JFET planar inventado por Horney em 1963. Inicialmente, era difícil produzir JFETs de alta qualidade em um circuito integrado, que popularizava a produção de amplificadores operacionais JFET híbridos. Somente em 1974, os engenheiros da National Semiconductor desenvolveram um método de implantação de íons para a fabricação de transistores de efeito de campo JFET de alta qualidade com controle de junção pn. O método foi chamado "BIFET" e foi usado para criar circuitos integrados mais avançados para amplificadores operacionais.
O diagrama abaixo compara a estrutura dos transistores npn e pnp no módulo com as fotos acima e o diagrama de seção transversal abaixo.
Transistor de efeito de campo dentro do módulo. O tamanho da matriz é 0,6 × 0,3 mmCom o que um transistor começa? Com um cristal de silício quadrado, dopado com impurezas, que forma as regiões n e p (dependendo do tipo de condutividade) com características diferentes. Sob o microscópio, observa-se que as zonas n e p dopadas com silicone diferem em cores. Uma camada de metal brilhante com uma conexão elétrica conectada a um emissor central é visível de cima. Uma segunda conexão elétrica é conectada à área principal ao redor do emissor; graças ao formato da lágrima, mais espaço é alocado para a conexão da conexão principal.
A parte inferior da matriz é um coletor que se conecta aos contatos no substrato cerâmico. O transistor npn segue uma estrutura plana reta. O transistor pnp, no entanto, exigia um anel condutor adicional para operar o amplificador operacional em tensões mais altas.
Comparação de transistores npn e pnp em um móduloConclusão
Esse componente, que descobri acidentalmente, acabou sendo mais interessante do que eu esperava. Ele entrelaça a aparência dos primeiros amplificadores operacionais Philbrick, o desenvolvimento do circuito analógico de Bob Pease, a história do agora esquecido Amelco, os experimentos científicos da NASA na Lua. Os transistores dentro deste módulo foram construídos usando os projetos planares originais de Horney, que permitiram examinar o desenvolvimento do próprio processo planar, que ao mesmo tempo revolucionou o mundo dos semicondutores. Por fim, este amplificador operacional demonstrou os recursos da tecnologia híbrida, quase inexistente em circuitos integrados.
Notas e links
1. O módulo foi empacotado em um pacote TO-8 padrão de 12 pinos. A maioria dos circuitos integrados está no invólucro metálico TO-5, mas os circuitos híbridos maiores e o espaço exigem mais.
2. “15818” na embalagem é o código CAGE, o identificador da OTAN usado para rastrear fornecedores. Inicialmente, 15818 identificaram Amelko; devido à fusão, esse número agora é de propriedade da TelCom Semiconductor.
3. O livro "
A História da Tecnologia de Semicondutores " descreve detalhadamente as histórias de várias empresas de semicondutores e pessoas envolvidas nesse setor. Uma história detalhada dos amplificadores operacionais, incluindo o desenvolvimento do amplificador operacional JFET na década de 1970, é a
História dos amplificadores operacionais de Walt Jung.
4. Bob Pease é o autor do popular cabeçalho de
circuito analógico
Pease Mingau . Ele também escreveu livros como
Solução de problemas de circuitos analógicos .
5. Um artigo de Bob Pease “
Que tipo de coisa é essa - 2401BG? ” (P. 54) demonstra o esquema 2401BG (abaixo). Comparando os circuitos, cheguei à conclusão de que o 2401BG é muito semelhante ao 2404BG que investiguei. (Para simplificar a comparação, colori os blocos funcionais de acordo com o esquema 2404BG).
A principal diferença aqui é o estágio de saída: 2401BG recebe a saída diretamente do segundo par e, para 2404BG, a classe de operação do estágio de saída do amplificador é AB. O 2401BG possui um espelho de corrente separado para bases de entrada de transistores npn.
6. Depois de restaurar o circuito do amplificador operacional, consegui encontrar um
livro de 1968 com um circuito híbrido do amplificador operacional Amelco. Esses dois circuitos são quase idênticos, exceto que no circuito mostrado no livro existem dois capacitores externos no 2404BG.
A imagem na fotografia do op-amp híbrido no livro é diferente da 2404BG que estudei. O número da peça não está indicado no livro (o que é pelo menos estranho), então eu suspeito que era apenas a versão 2404BG, que está em desenvolvimento.
7. "
História oral de Jack Haenichen / História oral de Jack Hanikhan " e patente
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