Реферат: Непобедимые операционники

В. Л. Шило

Некий наивный человек предполагал, что операционные усилители совершенно необходимы хирургам, чтобы делать операции. На самом деле с помощью этих усилителей можно решать операторные уравнения. Но их используют и в медицинской технике: например, без высококачественного усилителя немыслим кардиоскоп!

Весна, война и усилители Ловелла

Одним из первых изобретателей операционного усилителя (ОУ), оформленного как независимый ламповый модуль, по-видимому, был инженер "Белл Телефон Лабораториз" (БТЛ) Кларенс А. Ловелл (Clarens A. Lovell). Он сделал хороший модуль ОУ (т. е. "железо"), однако над "бумажным" обеспечением - описанием возможных способов использования многоцелевого ОУ (сейчас такие книжки называются "Инструкция по применению" - Application Report) - Ловелл работал денно и нощно, но безуспешно. С помощью его ОУ можно было дифференцировать и интегрировать сигналы, манипулировать ими. Однако за окнами нью-йоркской штаб-квартиры БТЛ была тревожная весна 1940 г., и надежд на широкое применение какого-то наивного усилителя было маловато. Лучшие американские радиоэлектронщики (без сомнения это были БТЛовцы) отчаянно пытались приспособить свои мирные изделия к нуждам фронта. Совсем неожиданно нашлось место и для ОУ Ловелла.

Вещий сон Паркинсона

В это же время 29-летний инженер БТЛ Дэвид Б. Паркинсон (David B. Parkinson) был так сильно озабочен судьбой своего аппарата - автоматического регистратора уровней быстро меняющихся сигналов, что по легенде, зафиксированной в истории техники, ему даже приснился вещий сон.

Он якобы попал на батарею к зенитчикам, которые умели ловко сбивать самолеты противника чуть ли не с первого выстрела. Однако при наводке орудия артиллеристы никакие маховички с обычным отчаянием не крутили. Командир показал Паркинсону, в чём дело. К зенитке был приспособлен регистратор Дэвида, который и гарантировал столь хорошую точность стрельбы.

Главное - идея. Уже в декабре 1941 г. был испытан образец системы, а к началу 1943 г. фирма "Вестерн Электрик" (Western Electric, WE - тогдашнее опытное производство для БТЛ) уже "клепала" М-9 - серию приборов управления артиллерийским зенитным огнем ПУАЗО. До конца второй мировой войны на WE было изготовлено более 3000 комплектов М-9.

Сигналы наводки в первых сериях ПУАЗО М-9 поступали от оптических датчиков, а в дальнейших - от радиолокационных. Но причем же здесь изделия Ловелла? Именно его ОУ по координатам предыдущего положения самолета непрерывно рассчитывали последующее, вполне возможное место встречи обреченного аэроплана с зенитными снарядами.

Инженеры БТЛ на 28 операционных усилителях Ловелла реализовали для системы М-9 одну из первых аналого-вычислительных машин (АВМ). Отметим, что выходные текущие трехмерные сигналы этой АВМ меняли положение движков прецизионных проволочных потенциометров, имевших диаметр по полметра!

Эти потенциометры автоматической наводки, которые и были фирменными изобретениями Паркинсона, питали двигатели управления положением стволов зениток. Маховички наводки (как тогда во сне!) крутились сами. Какова же была эффективность М-9? Без этого ПУАЗО на один самолет зенитчики расходовали до 1000 снарядов. Теперь оказалось достаточно сделать 100 выстрелов, но на малогабаритную ракету "Фау-1" расходовали 200 снарядов.

Сами прикиньте, сколько же модулей Ловелла было тогда изготовлено (учтите ЗИП, да и то, что промышленность союзников не бездельничала!).

АВМ работают быстро, но с памятью у них плоховато

В послевоенные годы перспективы АВМ выглядели оптимистично, для их реализации делали множество ОУ - ламповых модулей. Все структурные варианты схем ОУ: прямого усиления, с модуляцией, с прерывателем (чоппером), с коррекциями - появились еще в ламповых вариантах.

Еще с 30-х годов сменные модули - усилители сигналов рассогласования - применяли в самолетных автопилотах. Сменный модуль позволял починить автопилот даже в условиях полевого аэродрома.

Однако из-за того, что для АВМ так и не изобрели надежную и развитую память, процесс остановился. Но стоило посмотреть, какие красивые и ветвистые "деревья" рисовали тогдашние энтузиасты АВМ!

Переход на транзисторные модули суть дела не изменил. Одной из первых, выпустившей на рынок транзисторные модули - ОУ общего применения, была небольшая фирма "Филбрик" (Philbrick). Профессор Филбрик, ее создатель, систематизировал метрику параметров транзисторных ОУ, расширил поле базовых схем их применения, что способствовало увеличению объема продаж модулей его конструкции. Популярной была замечательная книжка Филбрика по применению этих модулей.

Был в этой истории и занятный случай. Знаменитая и ныне транснациональная корпорация Analog Devices, выпускавшая множество отличных модулей на отобранных (и подобранных) транзисторах, перешла на монолитную технологию одной из последних.

Чудесное спасение линейной техники

К 60-м годам цифровая микроэлектроника окончательно "задавила" идею АВМ, но только не сами ОУ! Успехи пяти лет (1958-1963г.г.) производства, применения, а главное, наращивания объема продаж первых серий цифровых микросхем стимулировали потребность в изобретении некой многоцелевой аналоговой микросхемы. После шараханий и поисков оказалось, что панацея - все тот же ОУ (американизм: operational amplifier - Op-Amp).

Первые монолитные полупроводниковые аналоговые микросхемы энтузиасты по простоте душевной пытались делать на цифровых технологических линейках и если не сразу терпели фиаско, то и мало хорошего получали (как по технике, так и от начальства). Как оказалось, следовало перейти на высокоомный кремний, разработать для него аналоговый технологический процесс, придумать новые полупроводниковые структуры.

Особый разговор - новая схемотехника. Транзисторы теперь следовало не экономить, а размещать их на кристалле как можно больше. Избыточность позволила зафиксировать параметры ОУ. Они теперь стали хорошо работать как в "жутком" диапазоне температур (от -60 до 125°С), так и при пятикратных пределах изменения питающих напряжений.

Эти пионерные задачи удалось решить "отцу" монолитных ОУ первых поколений молодому специалисту Роберту (по-свойски, Бобу) Видлару (Robert J. Widlar).

Боб Видлар

Основоположник линейной интегральной схемотехники, автор многих ныне базовых полупроводниковых структур Роберт Видлар, родился 30 ноября 1937 г. в городе Кливленд, штат Огайо. Итак, он северянин по рождению.

Но в 1962 г. Боб закончил Колорадский университет в Боулдере, а это место - в самом центре США. Учебу с 1959 до 1961 гг. Видлар совмещал с работой техническим инструктором на авиабазе ВВС США (помните, на автопилотах применяли операционные усилители?). Затем он работал в компании Ball Brothers в том же Боулдере. Там разрабатывали управляющую систему для орбитальной солнечной обсерватории (и здесь без ОУ не обойтись).

Казалось бы, всё хорошо у молодого специалиста!

Но в конце 1963 г. Боб переехал на самый юго-запад США, в Калифорнию, в город Маунтин-Вью, в Кремниевую Долину. Он поступил на фирму "Файрчайлд" (Fairchild) и возглавил там отдел линейных интегральных схем.

"Файрчайлд" в 40-е годы делал даже самолеты и телескопы. Полупроводниковую тематику на "Файрчайлд" занесли специалисты, сбежавшие (в буквальном смысле!) в конце 50-х годов от Шокли из фирмы Shockley Semiconductor. Между прочим, именно в этом своем "сарайчике" Шокли впервые наладил промышленное изготовление транзисторов. Шокли - истый калифорниец - открыл свою фирму именно в Маунтин-Вью, хотя транзистор изобрел в Нью-Йорке, работая в БТЛ (1948 г.). "Сарайчик" и положил начало Кремниевой Долине.

Вообще, к началу 60-х годов американская электроника "переехала" из смогового Нью-Йорка на "юга": в Калифорнию и Техас. Началась и "электронная война" этих штатов. Кое-какие усилительные микросхемы на "Файрчайлде", конечно же, делали и до прихода Видлара, но без особого успеха, что, впрочем, относилось и к файрчайлдовским цифровым микросхемам дотехасских серий (имеются в виду серии SN54/74 фирмы Texas Instruments). Полная цифровая Виктория была тогда за техасцами.

Но вот аналоговый бой выиграл Видлар, почти в одиночку! За три года работы на "Файрчайлде" Боб разработал и внедрил в производство свою всемирную "линейную серию" (в скобках указаны советские репликаты этих классических изделий): мА702 (14ОУД1), мА709 (153УД1), мА710 (521СА2), мА711 (521СА1), мА723, мА726.

В мире было выпущено по каждой позиции от 10 до 100 млн. шт. Но Видлару нужна была чисто полупроводниковая фирма (как Texas Instruments). И в 1966 г. он стал одним из основателей National Semiconductors Linear IC Group (сокращенно NS) - не только чисто полупроводниковой фирмы, но и специализированной линейной (г. Санта-Клара, Калифорния).

Видлар занял в NS должность директора по перспективным схемам и сделал микросхемы следующего поколения: LM101 (153УД2), LM108 (104УД14), LM118(140УД10,) LM102, LM109, LM111(521СА3). Вместе с Видларом в NS работали другие весьма талантливые люди: Боб Добкин, Карл Нельсон, Джордж Эрди, Минео Яматаке. Друг Яматаке поддерживал Боба до его последних дней.

С 1963 по 1971 гг. Видлар написал более полусотни статей по линейной тематике (как описание "внутренностей" ОУ, так и способов их применения). Он стал держателем десятков персональных патентов на интегральные структуры: это, например, боковой p-n-p, опорный элемент band-gap, супер-бета-транзистор, низковольтные (1,2 В) усилители и т. д.

Даже в далеких Москве, Риге, Киеве с нетерпением ждали его новых статей: "Что еще Боб придумал?". Он был для нас свет в окошке (библиотечном). Но в начале 70-х Видлар... исчез.

В 2002 г. он мог бы выйти на пенсию

В 1971 г. изобретатель переселился (куда уж южнее?) в Мексику, где начала работать его новая фирма Linear Technology Corp.(сокращенно LTC) Говорили, что в Мексике налоговый пресс был нежнее, чем в США. Так или иначе LTC сейчас - транснациональная корпорация с необычайно широким спектром аналоговых изделий.

Последние 20 лет своей жизни Р. Видлар работал по контрактам с NS и занимался какой-то неопределенной отработкой процессов производства. Реально, согласно изучению патентных справочников, оказалось, что в 1971 г. Видлар получил 4 патента. Это был последний всплеск настоящей видларовской активности! Потом было многолетнее молчание. До конца 1989 г. (за 18 лет) он оформил 8 патентов на изобретения. И все!

Последнюю свою статью в IEEE Journal of Solid-state circuits, (1991, v. 26, № 8) Роберт Видлар прочитать уже не смог. Он скончался 27 февраля 1991 г. в мексиканском городке Пуэрто-Валларта. Было ему 53 года. До пенсии оставалось 12 лет.

Ор-Аmр жил, жив и будет жить

Аналоговый мир "переехал" в XXI век вполне благополучно. Конечно, можно добраться до квантовых структур любых сигналов, можно пересчитать по битам эти квантики, но температуру, давление, скорость и т. п. удобнее измерять в их непрерывном аналоговом течении, т. е. в реальном времени. И для этого нам просто необходимы нынешние ОУ, параметры которых приблизились к идеальным: входных токов почти нет, разбалансы подгонкой сведены к нулю, коэффициент усиления весьма "приблизился" к бесконечному значению, а ток потребления зачастую столь мал, что его и измерить трудно.

Такие ОУ могут "вытянуть" сигнал любого датчика с эквивалентной разрешающей способностью до 25 бит. Есть гигагерцовые ОУ, пригодные для цифровых осциллографов, телекамер и радиолокаторов.

Мощные ОУ работают в контурах авторегулирования и в промоборудовании.

Словом, слава непобедимым операционникам и великая благодарность энтузиастам-изобретателям!