Незаслуженно забытые микросхемы

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2013

Dennis Feucht, Innovatia Laboratories

EDN

Что заставляет нас считать микросхему устаревшей? Мы вспомним о некоторых оригинальных компонентах, и обсудим, так ли уж плоха идея вернуться к их использованию.

По мере своего взросления электроника начинает проявлять некоторые признаки старения. Истинные инновации появляются все реже, ждем мы их все дольше, зато риски изготовителей становятся все ниже. Несколько десятилетий назад, когда авантюрный дух еще не умер, некоторые изготовители микросхем были готовы предложить рынку совершенно экзотические и концептуально необычные приборы. Например, Signetics в самом начале 1970-х годов решилась выпустить разработанную Гансом Камензиндом (Hans Camenzind) микросхему таймера 555 [1]. Никому не надо объяснять, что значит для нас эта микросхема и сейчас, спустя много десятилетий после ее создания.

Есть ли еще примеры подобных схем? Да, и о некоторых мы хотим рассказать в этой статье, и объяснить, чем полезны для нас они могли бы быть сегодня.

Универсальный тригонометрический функциональный преобразователь AD639

Очень давно Барри Гилберт (Barrie Gilbert) занимался исследованиями дифференциального усилителя на двух биполярных транзисторах, передаточная функция которого выражается гиперболическим тангенсом:

где

I₀ – ток эмиттера,
V_T = 26 мВ – термический потенциал при комнатной температуре

Для улучшения линейности последовательно с эмиттером усилителей был включен внешний резистор. Фактически, Гилберт на практике использовал инженерную поговорку: «Если Вы не можете устранить недостаток, обратите его себе на пользу».

Гиперболические тангенсы в определенной степени связаны с тригонометрическими функциями, и Алан Гребин (Alan Grebene) из Exar использовал одиночный дифференциальный каскад в микросхеме функционального генератора XR2206 для преобразования последовательности треугольных импульсов в синусоиду. Хотя результат получился вполне приличным для первого поколения подобных приборов, Гилберт продолжал развивать базовую идею, предложив концепцию, названную multitanh (от слов «multi-» – много, «tanh» – гиперболический тангенс). Концепция Гилберта заключалась в каскадном соединении нескольких дифференциальных усилителей, входы которых были смещены относительно друг друга на некоторое фиксированное напряжение. Такое решение расширило функциональные возможности и диапазон входных сигналов схемы, а также принесло с собой ряд других новых возможностей, некоторые из которых были использованы в преобразователе AD639.

Эта 16-выводная страна тригонометрических чудес с богатейшим набором функций с полным основанием могла бы претендовать на красивую жизнь и в наше время. К сожалению, Analog Devices убрала эту микросхему с рынка, не предложив никакой замены. Почему – не знает даже сам Гилберт. А в свое время казалось, что AD639, способной синтезировать все основные тригонометрические функции (sin, cos, tg, ctg, sec, cosec и обратные им функции), суждено стать легендой электроники.

Точность воспроизведения синусоидальной функции 0.02%. Много ли сейчас подобных функциональных генераторов? А аудио усилителей с таким нелинейными искажениями? Микросхема содержит также схему смещения, умножитель и делитель. Однако преобразователю не удалось пробиться на рынок измерительных или других приборов, требующих высокой точности или низких нелинейных искажений. Микросхема была рассчитана на работу с сигналами в диапазоне частот до 1.5 МГц.

Вероятно, единственной проблемой AD639 было то, что Analog Devices, прекрасно понимая степень привлекательности микросхемы, установила на нее совершенно запредельную цену, чем, собственно, и помешала широкому распространению преобразователя. Возможно, Rochester Electronics – главный поставщик компонентов, снятых с производства оригинальными изготовителями, мог бы возродить производство этих приборов, слегка изменив своей основной мисси изготовителя запчастей для старых приборов. Может быть, второе пришествие AD639 получилась бы более успешным, и микросхема завоевала бы ту популярность, которую упустила в первый раз.

Матрица биполярных транзисторов CA3096

В чем-то похожи на преобразователь AD639 и универсальные транзисторные сборки. В свое время компания RCA выходила на рынок с несколькими матрицами биполярных транзисторов серии CA3000. Граничная частота коэффициента передачи тока (fT) NPN транзисторов в некоторых приборах превышала 1 ГГц, что понравилось бы и современным конструкторам. Когда RCA прекратила свое существование, ее полупроводниковый бизнес отошел к Intersil, потеряв при этом преимущество устаревшей технологии с большими размерами элементов. Разработчики Tektronix использовали микросхемы CA3046 (или эквивалентные LM3046 компании National) в усилителе канала вертикального отклонения своего осциллографа 2205 (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Двухканальный портативный осциллограф Tektronix 2205 с полосой 20 МГц.

Intersil унаследовала от RCA солидный запас этих компонентов, которые можно приобрести даже сейчас. Жаль, что их не стали производить по первоначальной технологии. Используя новые производственные процессы, Intersil заменила старые матрицы серией HFA3000 в корпусах SOIC с увеличенной до нескольких гигагерц граничной частотой транзисторов, но с соответственно сниженным напряжением пробоя (Рисунок 2).

Рисунок 2.	С заменой микросхем серии CA3000 на HFA3000 граничная частота транзисторов выросла до нескольких гигагерц, но снизилось их пробивное напряжение. В Таблице 1 приведен фрагмент справочных данных компании Intersil.

Если для микросхем оригинальной серии CA3000 оптимальное напряжение питания составляло ±12 В, то микросхемы серии HFA рекомендовалось использовать при питании ±5 В, хотя транзисторы могли выдерживать напряжение до 10 В. Но что принципиально отличало серию HFA – это PNP транзисторы с диэлектрической изоляцией, намного улучшившие параметры прибора по сравнению с CA3096, изготавливаемой на основе транзисторов с горизонтальной структурой (Рисунок 3).

Рисунок 3.	PNP биполярные транзисторы в сборке CA3096 имеют горизонтальную структуру.

CA3096 – это универсальный элемент, содержащий три NPN и два PNP транзистора. Одним из его недостатков было то, что горизонтальные PNP транзисторы имели граничную частоту всего 6 МГц, поскольку изготовление тонкой базы у горизонтальных транзисторов является очень сложной задачей. Впрочем, ограниченный частотный диапазон не помешал использованию приборов во множестве устройств.

В показанном на Рисунке 4 примере усилитель с обратной связью имеет квазистатический коэффициент усиления равный 3 и полосу пропускания более 50 МГц. Он имеет два пути прохождения сигнала: медленный через токовое зеркало на PNP транзисторе и быстрый через транзистор Q2 входного каскада дифференциального усилителя. В усилителе использованы все пять транзисторов сборки. Единственный дополнительный полупроводниковый элемент – стабилитрон Z₁.

Рисунок 4.	Этот усилитель с обратной связью имеет квазистатический коэффициент усиления равный 3 и полосу пропускания более 50 МГц. В усилителе использованы все пять транзисторов сборки CA3096. Единственный дополнительный полупроводниковый элемент – стабилитрон Z1.

Маловероятно, что вы захотите применить эту микросхему, учитывая полную неопределенность ее будущего. Вдобавок, у сборок серии HFA очень невелик диапазон допустимых напряжений. Поэтому идеальным вариантом было бы возрождение производства CA3000, но с диэлектрической изоляцией PNP транзисторов.

Промышленный элемент управления MC14500B

16-выводная микросхема MC14500B компании Motorola представляет собой 1-разрядный КМОП процессор с тактовой частотой 1 МГц [2]. В ней имеются три однобитных регистра (триггера) и АЛУ, выполняющее 16 инструкций. Новые микроконтроллеры полностью выдавили MC14500B с рынка компонентов, но речь идет о другом. Это универсальный логический блок, для работы которого требуются только внешний счетчик и управляемая им память программ.

Память данных и устройства ввода/вывода разделяют общее адресное пространство. Четыре выходных бита памяти управляют входами выбора кода операции микросхемы MC14500B, а остальные служат для адресации подсистем управления вводом/выводом, таких, как двунаправленные 8-разрядные защелки (MC14599B) и 8-входовые мультиплексоры или селекторы данных (MC14512).

Однобитный аккумулятор был назван регистром результата (RR). Набор инструкций включает загрузку RR, загрузку дополнения RR, логическое «И» с регистром результата, логическое «И» с дополнительным кодом, все логические операции, загрузку RR, загрузку дополнения RR, пересылку данных в регистры ввода или вывода и ряд других команд. Кроме того, имеются инструкции вывода флагов, пропуска следующей команды, JMP и RTN. Для загрузки адреса в программный счетчик может использоваться флаг JMP. Инструкция RTN выводит флаг RTN и пропускает следующую команду.

Для синхронизации программного счетчика используется встроенный тактовый генератор. Нарастающий фронт синхроимпульса инкрементирует программный счетчик, после чего в течение положительной фазы синхроимпульса выбирается инструкция. Во время отрицательной фазы инструкция декодируется и выполняется. Какие преимущества эта микросхема с последовательной обработкой битов и интенсивным использованием средств ввода/вывода может дать сегодня? Необходимость в дополнительном программном счетчике и памяти данных исключают возможность возврата к использованию этого прибора, неспособного конкурировать с дешевыми 8- и 16-разрядными flash микроконтроллерами. Хотя, сама по себе, микросхема, безусловно, интересна, ей суждено остаться забытой.

Регистры последовательных приближений MC14549 и MC14559

Регистры последовательных приближений (РПП) первоначально входили в серию 4000 разработанных компанией Motorola цифровых микросхем, изготавливаемых преимущественно по КМОП технологии. Приборы были 8-битными и могли каскадироваться для наращивания разрядности. Регистры использовались для создания АЦП последовательных приближений. Внутри микросхемы находились регистр сдвига и регистр с параллельной загрузкой.

Несмотря на свою простоту, РПП выполняют полезную цифровую функцию. Алгоритм последовательных приближений основан на поочередном, начиная со старшего значения, логическом сравнении измеряемого напряжения с напряжением на вспомогательном ЦАП. Если напряжение выше, устанавливается старший значащий бит, и затем производится последовательное сравнение для остальных бит, до тех пор, пока не будут определены значения всех разрядов. Полный цикл n-битного преобразования занимает n тактов, независимо от уровня оцифровываемого сигнала.

Добавив к одному – двум РПП внешний компаратор и ЦАП, можно построить АЦП, используя элементы, оставшиеся незадействованными в схеме. Хотя такое решение сегодня назвали бы полудискретным, подобная конструкция АЦП имела бы право на существование при использовании микросхем многоканальных ЦАП и многоканальных компараторов.

РПП могут также использоваться в схемах автоматического выбора диапазона, со средним количеством шагов меньшим, чем при последовательном поиске диапазона. Аналогичным образом, с помощью РПП можно подбирать коэффициент передачи усилителя, управляемого напряжением. Несмотря на то, что веса управляющих входов усилителя могут быть десятичными (1-2-5), при их монотонности такая схема будет работать.

MC4530 – сдвоенный пятивходовый мажоритарный элемента

Одна из самых странных логических функций, реализованных в интегральном исполнении, выполнялась сдвоенным пятивходовым мажоритарным элементом, продававшимся компанией Motorola. Выход элемента активизируется в случае, когда три или более из пяти его входов активны. Если вам нравится получать новые впечатления от исследования экзотических компонентов, можете обратить внимание на эту микросхему. Выходы мажоритарных элементов были объединены по схеме «исключающее ИЛИ» с управляющими входами W, посредством которых изменялась полярность выходных сигналов.

Зачем нужны подобные микросхемы? В общем случае, такой мажоритарный элемент генерирует решение в системах с пяти- или менее кратным резервированием.

Подключив один вход к «лог. 0», а другой к «лог. 1», оставшиеся три можно использовать для «голосования» среди выходов двух из трех управляющих компьютеров, подобно тому, как это сделано на Space Shuttle.

Точно также, если несколько банков конденсаторов заряжены неодинаково, устройство, включающее их разряд, примет решение, что заряд достаточен, если заряжены M из N банков. Функция эгалитарна. Любые M из N будут инициировать событие. Используя инверсную входную логику, статически устойчивый робот-многоножка будет получать сигнал тревоги, если на землю опущены менее M из N его ног.

Иерархическая структура мажоритарного резервирования создается путем соединения выхода одного мажоритарного элемента с одним из входов другого. Тогда пять первых имеют один голос среди пяти вторых. Несмотря на то, что такое использование может быть практически полезным, все же, подобные логические функции сегодня кажутся слишком необычными. Неудивительно, что эта схема забыта.

Ссылки

1. Jack Ward, «Интервью с Гансом Камензиндом – разработчиком самой популярной микросхемы, когда-либо создававшейся в мире», РадиоЛоцман, 2012, февраль, стр. 21.
2. Jack G. Ganssle, «Одноразрядный микропроцессор Motorola MC14500», РадиоЛоцман, 2012, март, стр. 47.