Непереможні операціоннікі

В. Л. Шило

Якийсь наївна людина припускав, що операційні підсилювачі абсолютно необхідні хірургам, щоб робити операції. Насправді за допомогою цих підсилювачів можна вирішувати операторні рівняння. Але їх використовують і в медичній техніці: наприклад, без високоякісного підсилювача немислимий кардіоскоп!

Весна, війна і підсилювачі Ловела

Одним з перших винахідників операційного підсилювача (ОУ), оформленого як незалежний ламповий модуль, мабуть, був інженер "Белл Телефон Лабораторіз" (БТЛ) Кларенс А. Ловелл (Clarens A. Lovell). Він зробив хороший модуль ОУ (тобто "залізо"), однак над "паперовим" забезпеченням - описом можливих способів використання багатоцільового ОУ (зараз такі книжки називаються "Інструкція з застосування "- Application Report) - Ловелл працював вдень і вночі, але безуспішно. За допомогою його ОУ можна було диференціювати й інтегрувати сигнали, маніпулювати ними. Однак за вікнами нью-йоркської штаб-квартири БТЛ була тривожна весна 1940 р., і надій на широке застосування якогось наївного підсилювача було замало. Кращі американські радіоелектронщик (без сумніву це були БТЛовци) відчайдушно намагалися пристосувати свої мирні вироби до потреб фронту. Зовсім несподівано знайшлося місце і для ОУ Ловела.

Віщий сон Паркінсона

В цей же час 29-річний інженер БТЛ Девід Б. Паркінсон (David B. Parkinson) був так сильно стурбований долею свого апарату - Автоматичного реєстратора рівнів швидко мінливих сигналів, що за легендою, зафіксованої в історії техніки, йому навіть наснився віщий сон.

Він нібито потрапив на батарею до зенітникам, які вміли спритно збивати літаки супротивника мало не з першого пострілу. Однак при наводкою знаряддя артилеристи ніякі маховичков зі звичайним відчаєм не крутили. Командир показав Паркінсона, в чому справа. До Зенітці був пристосований реєстратор Девіда, який і гарантував настільки високу точність стрілянини.

Головне - ідея. Вже в грудні 1941 р. був випробуваний зразок системи, а до початку 1943 р. фірма "Вестерн Електрик" (Western Electric, WE - тодішнє дослідне виробництво для БТЛ) вже "клепала" М-9 - серію приладів керування артилерійським вогнем зенітних пуаз. До кінця другої світової війни на WE було виготовлено понад 3000 комплектів М-9.

Сигнали наведення в перших серіях пуаз М-9 надходили від оптичних датчиків, а в подальших - від радіолокаційних. Але до чого ж тут вироби Ловела? Саме його ОУ за координатами попереднього положення літака безперервно розраховували подальше, цілком можливе місце зустрічі приреченого аероплана з зенітними снарядами.

Інженери БТЛ на 28 операційних підсилювачах Ловела реалізували для системи М-9 одну з перших аналого-обчислювальних машин (АВМ). Відзначимо, що вихідні поточні тривимірні сигнали цієї АВМ змінювали положення движків прецизійних дротяних потенціометрів, що мали діаметр по півметра!

Ці потенціометри автоматичного наведення, які і були фірмовими винаходами Паркінсона, питали двигуни управління становищем стовбурів зеніток. Маховичков наведення (як тоді уві сні!) Крутилися самі. Яка ж була ефективність М-9? Без цього пуаз на один літак зенітники витрачали до 1000 снарядів. Тепер виявилося досить зробити 100 пострілів, але на малогабаритну ракету "Фау-1" витрачали 200 снарядів.

Самі прикиньте, скільки ж модулів Ловела було тоді виготовлено (врахуйте ЗІП, та й те, що промисловість союзників не байдикував !).

АВМ працюють швидко, але з пам'яттю в них кепсько

У післявоєнні роки перспективи АВМ виглядали оптимістично, для їх реалізації робили безліч ОУ - лампових модулів. Всі структурні варіанти схем ОУ: прямого посилення, з модуляцією, з переривником (чопперів), з корекціями - з'явилися ще в лампових варіантах.

Ще з 30-х років змінні модулі - підсилювачі сигналів неузгодженості - застосовували в літакових автопілота. Змінний модуль дозволяв полагодити автопілот навіть в умовах польового аеродрому.

Однак через те, що для АВМ так і не винайшли надійну і розвинену пам'ять, процес зупинився. Але варто було подивитися, які красиві і гіллясті "дерева" малювали тодішні ентузіасти АВМ!

Перехід на транзисторні модулі суть справи не змінив. Однією з перших, що випустила на ринок транзисторні модулі - ОУ загальному застосування, була невелика фірма "Філбрік" (Philbrick). Професор Філбрік, її творець, систематизував метрику параметрів транзисторних ОУ, розширив поле базових схем їх застосування, що сприяло збільшенню обсягу продажів модулів його конструкції. Популярною була чудова книжка Філбріка із застосування цих модулів.

Був у цій історії і цікавий випадок. Знаменита і нині транснаціональна корпорація Analog Devices, що випускала безліч відмінних модулів на відібраних (і підібраних) транзисторах, перейшла на монолітну технологію однією з останніх.

Чудовий порятунок лінійної техніки

До 60-х років цифровий мікроелектроніка остаточно "задавила" ідею АВМ, але тільки не самі ОУ! Успіхи п'яти років (1958-1963г.г.) Виробництва, застосування, а головне, нарощування обсягу продажів перших серій цифрових мікросхем стимулювали потреба у винаході якоїсь багатоцільовий аналогової мікросхеми. Після торохкань і пошуків виявилося, що панацея - все той же ОУ (американізм: operational amplifier - Op-Amp).

Перші монолітні напівпровідникові аналогові мікросхеми ентузіасти з сердечної намагалися робити на цифрових технологічних лінійках і якщо не відразу терпіли фіаско, то й мало хорошого отримували (як з техніки, так і від начальства). Як виявилося, слід було перейти на високоомний кремній, розробити для нього аналоговий технологічний процес, придумати нові напівпровідникові структури.

Особлива розмова - нова схемотехніка. Транзистори нині треба було не економити, а розміщувати їх на кристалі як можна більше. Надмірність дозволила зафіксувати параметри ОУ. Вони тепер стали добре працювати як в "страшному" діапазоні температур (від -60 до 125 ° С), так і при п'ятикратних межах зміни живлячих напруг.

Ці піонерні задач вдалося вирішити "батькові" монолітних ОУ перших поколінь молодому фахівцю Роберту (по-своєму, Бобу) Відлару (Robert J. Widlar).

Боб Відлар

Основоположник лінійної інтегральної схемотехніки, автор багатьох нині базових напівпровідникових структур Роберт Відлар, народився 30 Листопад 1937 в місті Клівленд, штат Огайо. Отже, він северянин за народженням.

Але в 1962 р. Боб закінчив Колорадський університет у Боулдері, а це місце - у самому центрі США. Навчання з 1959 до 1961 років. Відлар поєднував з роботою технічним інструктором на авіабазі ВПС США (пам'ятаєте, на автопілота застосовували операційні підсилювачі?). Потім він працював у компанії Ball Brothers в тому ж Боулдері. Там розробляли керуючу систему для орбітальної сонячної обсерваторії (і тут без ОУ не обійтися).

Здавалося б, все добре в молодого фахівця!

Але наприкінці 1963 р. Боб переїхав на самий південний захід США, в Каліфорнії, в місто Маунтен В'ю, в кремнієвих Долину. Він вступив на фірму "Файрчайлд" (Fairchild) і очолив там відділ лінійних інтегральних схем.

"Файрчайлд" в 40-і роки робив навіть літаки і телескопи. Напівпровідникову тематику на "Файрчайлд" занесли фахівці, що втекли (в буквальному сенсі!) наприкінці 50-х років від Шоклі з фірми Shockley Semiconductor. Між іншим, саме в цьому своєму "сарайчику" Шоклі вперше налагодив промислове виготовлення транзисторів. Шоклі - справжній каліфорнієць - відкрив свою фірму саме в Маунтін-В'ю, хоча транзистор винайшов в Нью-Йорку, працюючи в БТЛ (1948 р.). "Сарайчик" і поклав початок Кремнієвої Долині.

Взагалі, до початку 60-х років американська електроніка "переїхала" з смогового Нью-Йорка на "півдня": до Каліфорнії і Техас. Почалася і "електронна війна" цих штатів. Деякі підсилювальні мікросхеми на "Файрчайлде", звичайно ж, робили і до приходу Відлара, але без особливого успіху, що, втім, відносилося і до файрчайлдовскім цифрових мікросхем дотехасскіх серій (маються на увазі серії SN54/74 фірми Texas Instruments). Повна цифрова Вікторія була тоді за техасців.

Але ось аналоговий бій виграв Відлар, майже в поодинці! За три роки роботи на "Файрчайлде" Боб розробив і впровадив у виробництво свою всесвітню "лінійну серію" (в дужках вказані радянські реплікати цих класичних виробів): мА702 (14ОУД1), мА709 (153УД1), мА710 (521СА2), мА711 (521СА1), мА723, мА726.

У світі було випущено по кожній позиції від 10 до 100 млн. шт. Але Відлару потрібна була чисто напівпровідникова фірма (як Texas Instruments). І в 1966 р. він став одним із засновників National Semiconductors Linear IC Group (скорочено NS) - не тільки чисто напівпровідникової фірми, але й спеціалізованої лінійної (м. Санта-Клара, Каліфорнія).

Відлар зайняв у NS посаду директора з перспективним схемами і зробив мікросхеми наступного покоління: LM101 (153УД2), LM108 (104УД14), LM118 (140УД10,) LM102, LM109, LM111 (521СА3). Разом з Відларом в NS працювали інші дуже талановиті люди: Боб Добкін, Карл Нельсон, Джордж Ерді, Мине Яматаке. Друг Яматаке підтримував Боба до його останніх днів.

З 1963 по 1971 рр.. Відлар написав більше півсотні статей з лінійної тематики (як опис "нутрощів" ОУ, так і способів їх застосування). Він став власником десятків персональних патентів на інтегральні структури: це, наприклад, бічний pnp, опорний елемент band-gap, супер-бета-транзистор, низьковольтні (1,2 В) підсилювачі і т. д.

Навіть у далеких Москві, Ризі, Києві з нетерпінням чекали його нових статей: "Що ще Боб придумав?". Він був для нас світло в віконці (бібліотечному). Але на початку 70-х Відлар ... зник.

У 2002 р. він міг би вийти на пенсію

У 1971 р. винахідник переселився (куди вже на південь від?) в Мексику, де почала працювати його нова фірма Linear Technology Corp. (Скорочено LTC) Говорили, що в Мексиці податковий прес був ніжніше, ніж у США. Так чи інакше LTC зараз - транснаціональна корпорація з надзвичайно широким спектром аналогових виробів.

Останні 20 років свого життя Р. Відлар працював за контрактами з NS і займався якоюсь невизначеною відпрацюванням процесів виробництва. Реально, згідно з вивчення патентних довідників, виявилося, що в 1971 р. Відлар отримав 4 патенту. Це був останній сплеск справжньою відларовской активності! Потім було багаторічне мовчання. До кінця 1989 р. (за 18 років) він оформив 8 патентів на винаходи. І все!

Останню свою статтю в IEEE Journal of Solid-state circuits, (1991, v. 26, № 8) Роберт Відлар прочитати вже не зміг. Він помер 27 лютого 1991 в мексиканському містечку Пуерто-Валларта. Було йому 53 роки. До пенсії залишалося 12 років.

Ор-Аmр жив, живий і буде жити

Аналоговий світ "переїхав" в XXI століття цілком Звичайно, можна дістатися до квантових структур будь-яких сигналів, можна перелічити на бітам ці Квантіко, але температуру, тиск, швидкість і т. п. зручніше вимірювати в їх безперервному аналоговому течії, тобто в реальному часу. І для цього нам просто необхідні нинішні ОУ, параметри яких наблизилися до ідеальним: вхідних струмів майже немає, розбаланс підгонкою зведені до нуля, коефіцієнт посилення вельми "наблизився" до нескінченного значенням, а струм споживання часто настільки малий, що його й виміряти важко.

Такі ОУ можуть "витягнути" сигнал будь-якого датчика з еквівалентною роздільною здатністю до 25 біт. Є гігагерцовий ОУ, придатні для цифрових осцилографів, телекамер і радіолокаторів.

Потужні ОУ працюють в контурах авторегулювання і в промобладнання.

Словом, слава непереможним операціоннікам і велика подяку ентузіастам-винахідникам!

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.computer-museum.ru/