Появление операционного усилителя как отдельного класса электронных схем произошло благодаря развитию аналоговых вычислителей. Так, прообраз ОУ — суммирующий усилитель Карла Сварцеля из Bell Labs — в начале 1940-х годов стал основой электронной системы управления огнем зенитного орудия M9 gun director. А сам термин «операционный усилитель» впервые сформулировал Джон Рагаццини из Колумбийского университета в своей знаменитой статье «Анализ динамических задач с помощью электронных схем» 1947 года, прямо ссылаясь на работы Bell Labs по этому проекту. Но мало кто задумывается о том, что вычислительная техника оказала значительно больший вклад: без цифровых микросхем мы еще долго могли бы не увидеть первый интегральный ОУ.
От транзистора к Кремниевой долине
Отсчет новой эры полупроводниковой электроники начался в конце 1947 года, когда в Bell Labs в группе Уильяма Шокли был продемонстрирован первый образец полупроводникового точечно-контактного транзистора для замены электронных ламп. А в середине пятидесятых Шокли первым сделал ставку на кремниевые технологии и основал в Калифорнии компанию Shockley Semiconductor Laboratory, которую принято считать «нулевым пациентом» Кремниевой долины.
Но уже в 1957 году из-за невероятно сложного характера Уильяма Шокли от его лаборатории откалывается основная группа из восьми ключевых инженеров. В их число входили и будущие основатели Intel — Роберт Нойс и Гордон Мур. На венчурные инвестиции от крупного промышленника Шермана Миллса Фэйрчайлда они основали собственную компанию Fairchild Semiconductor.
Планарная революция
Всего через несколько лет, к 1960 году Джин Эрни продемонстрировал в Fairchild первый планарный транзистор 2N1613. Революция Эрни заключалась в герметизации полупроводниковой структуры защитным слоем диоксида кремния, который ранее считали «грязным» побочным продуктом.
Высокое качество и надежность транзисторов удалось достичь благодаря прорыву Fairchild в фотолитографии. По счастливой случайности Шерман Фэйрчайлд также владел компанией Fairchild Camera and Instrument, которая десятилетиями поставляла высокоточное оборудование для авиаразведки. Именно этот опыт позволил создать первые фотоповторители (step-and-repeat), способные с микронной точностью тиражировать структуру транзисторов на кремниевой пластине.
По еще одной счастливой случайности другая компания империи Шерман Фэйрчайлд, Fairchild Engine and Airplane, строила для ВВС США транспортные самолеты и штурмовики. Благодаря имеющемуся кредиту доверия и исключительной надежности 2N1613, Fairchild Semiconductor стали поставщиком транзисторов для межконтинентальной баллистической ракеты Minuteman. На огромных военных бюджетах компания быстро выросла с 12 человек до 12 тысяч человек.
Первые массовые интегральные схемы
Плоская (планарная) поверхность транзистора Эрни стала идеальным фундаментом для работы Роберта Нойса. Он улучшил планарный процесс, добавив поверх диоксида кремния алюминиевую металлизацию. На ней печатали электрические проводники, соединяющие несколько компонентов на одном кристалле. Соседние транзисторы при этом изолировали друг от друга через обратно смещенные p-n переходы.
Под техническим руководством Гордона Мура все это позволило полностью автоматизировать выпуск чипов и достичь их высокой повторяемости. Уже в 1961 году для миссий Minuteman II ВВС США и Аполлон NASA по этой технологии были выпущены первые коммерческие логические микросхемы серии Micrologic, в том числе триггер Fairchild Type F.
Таким образом, космическая гонка позволила на десятилетия сократить переход от транзистора к интегральной микросхеме, закрепив стандарты «космического класса» в электронике.
Ограничение планарных технологий
Масштаб производства помог за несколько лет снизить цену одного чипа в несколько раз, открыв дорогу планарному процессу на массовый гражданский рынок. Но рынок требовал не только цифровых микросхем. Тем более что в системах наведения ракеты Minuteman основными компонентами все еще оставались операционные усилители.
Увлечение гонкой с законом Мура к середине 1960-х привело к тому, что весь техпроцесс в Fairchild был жестко оптимизирован под цифровую серию Micrologic, построенную на транзисторно-резисторной логике (ТРЛ). Транзисторы на пластинах создавались для работы в импульсном режиме и имели только NPN-структуру. А сопротивление встроенных резисторов измерялось величинами не более единиц и десятков килоом без особой точности.
Можно подумать, что такая компонентная база совсем не подходит для создания аналоговых усилителей. Для аналогового дифкаскада нужны были либо очень точные резисторы, либо гигантские, которые не помещались на кристалле. Максимально тонкая база быстродействующих импульсных транзисторов делала их сильно подверженными эффекту Эрли: ток коллектора сильно зависел от стабильности напряжения, что убивало линейность усиления. Многим инженерам эти проблемы казались тогда непреодолимыми.
Каждый идиот может считать до одного
Но в 1963 году в компанию ворвался эксцентричный инженер с непростым характером под стать самому Шокли — Боб Видлар. Благодаря отцу, который приложил руку к первым системам радарного наведения и радиопередатчикам для авиации, Боб уже к окончанию школы разбирался в радиоприемниках и знал радиотехнику на уровне выпускника колледжа. А во время службы в армии в ВВС США он стал инструктором по электронному оборудованию и писал учебные пособия.
Боб Видлар не имел возможности вносить изменения в устоявшийся техпроцесс для производства Micrologic, ограниченный стандартным набором масок. Так что он не боролся с этими ограничениями, а компенсировал их за счет топологии кристалла. Вдохновившись идеями известного инженера Хун-Чанг (Джимми) Лина из компании Westinghouse, которые тот открыто публиковал в журнале IEEE, Видлар смог преодолеть главные технологические ограничения планарного процесса Fairchild.
Схемотехнические уловки против физических ограничений
Вместо мегаомных резисторов в коллекторной нагрузке усилителей, которые невозможно было бы изготовить в планарном техпроцессе 1960-х, Видлар использовал доработанное до источника тока токовое зеркало Джимми Лина, которое тот изначально задумывал для термокомпенсации в цепях смещения усилителей. Видлар понял, что транзистор в режиме источника тока обладает колоссальным динамическим сопротивлением при очень малом статическом падении напряжения, что позволило добиться коэффициентов усиления, не доступных при использовании обычных резисторов.
В классическом токовом зеркале Лина входной транзистор имеет диодное включение и фактически используется в качестве термодатчика для температурной стабилизации выходного транзистора. При этом ток на выходе каскада получался равным току на входе. Но для получения малых токов в выходной цепи все так же требовался огромный резистор номиналом в несколько мегаом. Но в отличие от ограничения тока высокоомными резисторами схема Лина позволяла работать при очень низких напряжениях, хотя полностью проблему замены высокоомных резисторов не решала.
Это решение отлично подходило Видлару. Поскольку в «цифровом» техпроцессе Fairchild хороших диодов не было, вместо обычных диодов Видлар смог использовать диодное включение транзисторов.
К тому же получить два PN-перехода с одинаковыми характеристиками в разных концах кристалла из-за неравномерности легирующего слоя было практически невозможно. Но проблему плохого качества транзисторов Видлар смог решить за счет топологической симметрии. Он располагал два транзистора токового зеркала максимально близко друг к другу, чтобы любые неравномерности примесей или температурные изменения влияли на них одинаково.
Аналогичное топологическое решение Боб применил и для дифференциального каскада, дополнительно разместив его в самом центре кристалла, что значительно улучшило взаимную компенсацию дрейфа нуля.
Чтобы окончательно решить проблему гигантских резисторов, Видлар нашел гениально простое решение. В эмиттерную цепь выходного транзистора токового зеркала он добавил резистор номиналом всего в пару килоом. Этот резистор создавал небольшую разницу в напряжениях база-эмиттер двух транзисторов. Благодаря логарифмической зависимости тока от напряжения, эта мизерная разница позволяла «задавить» выходной ток до наноампер, используя на входе обычный резистор разумного номинала. За этой схемой закрепилось название «Источник тока Видлара» (Widlar Current Source).
Рождение интегрального ОУ
Выход в серию первого в мире серийного монолитного операционного усилителя общего назначения µA702, доступного на гражданском рынке, в 1964 году стал доказательством состоятельности идей Боба Видлара. Чтобы вписать схему в ограниченную площадь для кристалла стандарта Micrologic, ОУ имел всего 9 транзисторов, из-за чего пришлось мириться с ощутимыми по сегодняшним меркам недостатками: нестандартным напряжением питания и выходным каскадом класса А. Последний был связан с отсутствием технологической возможности использовать PNP транзисторы. Тем не менее благодаря компактности и универсальности усилитель стали широко применять в промышленности.
Первый в мире интегральный компаратор
Несмотря на свою антипатию к «цифре», Видлар понимал, что аналоговые чипы должны работать в связке с бурно развивающимися логическими микросхемами. В то время инженеры уже начинали использовать интегральный ОУ в качестве компаратора из-за компактных размеров. Но его усилитель µA702 выдавал аналоговые уровни, которые не подходили для входов логических вентилей без дополнительных громоздких цепей согласования. А время отклика ОУ было неприемлемо большим для цифровых систем — при малейшей перегрузке транзисторы уходили в глубокое насыщение, и накопленный в базе заряд «рассасывался» целую вечность.
Это привело Видлара к мысли, что рынку нужен принципиально новый класс приборов. Так в 1964–1965 годах родился µA710 — первый в мире монолитный компаратор. Его главным секретом стало использование ограничителей на стабилитронах в межкаскадных связях.
Видлар обнаружил, что лавинный пробой база-эмиттерного перехода обычного NPN-транзистора при обратном смещении происходит при напряжении 6,3 В и обладает достаточной стабильностью, чтобы использовать такое включение транзистора как стабилитрон. Это позволило ему создавать источники опорного напряжения, изначально имея лишь быстрые цифровые переключатели для построения логических микросхем.
Стабилитрон удерживал транзисторы в активном режиме, буквально запрещая им уходить в глубокое насыщение. Выходной каскад компаратора был спроектирован так, чтобы обеспечивать строгое соответствие логическим уровням. А для повышения стабильности Видлар намеренно уменьшил усиления в промежуточных каскадах. Успех µA710 был мгновенным. Он стал незаменимым в первых быстродействующих АЦП, детекторах памяти на магнитных сердечниках и в видеотехнике.
Решение проблемы PNP-транзисторов
Опыт, полученный при разработке «быстрого» 710-го и «универсального» 702-го, позволил Видлару приступить к своей главной цели — созданию ОУ нового поколения, лишенного детских болезней предшественников. Но для этого не хватало всего одной детали: техпроцесс все еще не позволял создавать качественные вертикальные PNP-транзисторы. Это ограничение казалось непреодолимым: без хороших PNP-транзисторов было невозможно создать эффективный двухтактный выходной каскад и зеркала тока, которые могли бы работать от положительной шины питания.
И вот в 1963 году Джимми Лин публикует концепцию латерального (бокового) PNP-транзистора, который можно было изготовить в рамках стандартного технологического процесса для NPN-транзисторов без введения дополнительных этапов диффузии. Эти транзисторы обладали одним огромным минусом: коэффициент усиления по току был ничтожно мал из-за большой длины базовой области. Это также значительно ограничивало его быстродействие.
Это был успех
Несмотря на критические недостатки латеральных транзисторов, Видлар увидел в идее Лина ключ к преодолению ограничений µA702. В то время как другие инженеры Fairchild скептически называли латеральные PNP-транзисторы «мусором», Видлар понял: для определенных задач в схеме ОУ высокое усиление от каждого конкретного транзистора и не требуется.
Так уже в ноябре 1965 года был представлен ОУ второго поколения µA709. Благодаря внедрению латерального PNP-транзистора он получил невероятное для того времени усиление в 70 000, входное сопротивление 250 кОм и мог работать от стандартного двухполярного питания ±15 В, отдавая значительный ток в нагрузку.
Всего два PNP-транзистора приблизили µA709 к идеальному операционному усилителю, что обеспечило ему невероятный коммерческий успех. Первый PNP-транзистор осуществлял перенос сигнала от входного каскада к выходному. От транзистора при этом не требовалось большого усиления, но это исключало потери, которые возникали в предыдущей схеме с использованием резисторов. Сделать же выходной каскад двухтактным позволило применение пары Шиклаи в нижнем плече. Второй PNP-транзистор был включен параллельно с более мощным NPN-транзистором. Это позволило очередной раз обмануть ограничение техпроцесса и обеспечило приемлемое качество работы выходного каскада.
Заключение
В 1966 году ошеломительным коммерческим успехом µA709 завершилась победоносная трилогия Боба Видлара в Fairchild. Три интегральные схемы — µA702, µA710 и µA709 — перевернули электронику.
До появления µA702 аналоговые микросхемы продолжали проектировать по старинке, как на дискретных компонентах. Но в этом чипе Видлар продемонстрировал непригодность традиционных подходов, заменив резисторы в нагрузке усилительных каскадов на источники тока, а с недостатками характеристик транзисторов боролся, подбирая для них оптимальное размещение на кристалле.
В µA710 Видлару удалось превратить низкие паразитные параметры транзисторов в своих союзников. Он начал эксперименты с формой и размерами транзисторов и смог заменить ими не только резисторы, но даже стабилитроны и диоды.
µA709 — это венец творения Видлара: в нем воплотились все его архитектурные наработки, а главным достижением стали латеральные PNP-транзисторы. Их удалось вписать в стандартный технологический процесс цифровых микросхем, не меняя структуру слоев. И даже низкий коэффициент усиления этих транзисторов не смог помешать архитектурному гению Видлара.
Выверенная геометрия и схемотехнические трюки позволили Бобу Видлару взломать ограничения планарной технологии, оптимизированной для цифровых микросхем. А источники тока Видлара до сих пор являются базой любого интегрального усилителя и даже заменяют резисторы в цифровых микросхемах. Этот инженерный хак навсегда изменил парадигму проектирования аналоговых чипов.
Однако на фоне возникших финансовых претензий Видлар покинул Fairchild и свою работу продолжил в тогда ещё молодой компании National Semiconductor. Но это уже совсем другая история…
