Юрий Петропавловский
К своему полувековому юбилею, отмечаемому в 2015 году, компания Analog Devices (ADI, г. Норвуд, штат Массачусетс, США) существенно расширила сферу деятельности за счет приобретения в сентябре 2014 года одного из ведущих разработчиков и производителей высокочастотных микросхем и компонентов – корпорации Hittite Microwave (цена сделки примерно $2 млрд.). Радиолюбителям ADI известна как производитель высококачественных аналоговых микросхем, высокопроизводительных АЦП и ЦАП и аудио/видео микросхем. Инженерам и специалистам в самых различных областях электроники компания также известна, как разработчик и производитель высокопроизводительных цифровых сигнальных процессоров и микроконтроллеров, телекоммуникационных микросхем и продуктов для ВЧ/СВЧ приложений.
В действительности номенклатура продуктов ADI значительно шире, общее число типов микросхем и других продуктов исчисляется многими тысячами, в том числе, в таких категориях продуктов, как МЭМС и датчики, интерфейсы, компоненты для оптоэлектроники и микросхемы управления питанием. Поэтому достаточно подробно рассмотреть особенности всей номенклатуры продуктов компании даже в нескольких статьях не представляется возможным. В предлагаемой статье рассмотрим эволюцию и достижения компании в области разработки и производства аналоговых модульных и интегральных (монолитных) усилителей различных классов.
Особая черта продукции ADI, в том числе аналоговых усилителей – принадлежность к «высшей лиге» среди профильных компаний. Ее продукты, как правило, или самые лучшие в своих секторах рынка, или близки к ним по качественным характеристикам. Однако и цена премиальных продуктов далеко не всегда рассчитана на массовых потребителей.
Одним из основателей ADI является Рэй Стата (Raymond S. Stata, Рисунок 1) – выпускник Массачусетского технологического института (MIT) и обладатель степеней бакалавра и магистра наук в области электротехники. В 1962 году Рэй Стата совместно с выпускниками MIT Мэтью Лорбером (Matthew Lorber) и Биллом Линько (William Linko) основал компанию Solid State Instruments (SSI) с целью разработки электронных систем управления гироскопами. Партнеры работали без заработной платы и каких-либо инвестиций со стороны, однако основной проблемой стало отсутствие четкой стратегии развития и взаимопонимания – каждый из партнеров предлагал что-то свое, а реального «босса» не было. Тем не менее, SSI удалось разработать удачный продукт – прецизионные таблицы для расчета и тестирования гироскопов, заинтересовавший корпорацию Kollmorgen. В результате SSI была приобретена этой компанией и вошла в состав одного из ее подразделений. С компаньонами заключили контракты на 2 года и выплатили по $50,000 наличными каждому [1].
 |
|
| Рисунок 1. | Сооснователь компании Analog Devices Рэй Стата (Raymond S. Stata). |
В январе 1965 года Рэй Стата и Мэтью Лорбер основали уже собственную компанию – Analog Devices, нацеленную на разработку и производство набирающих популярность операционных усилителей. Еще одним из сооснователей ADI называют Дика Бурвена (Richard S. Burwen, нередко переводят как Барвен, или Бервен), выступавшего в роли независимого консультанта в период становления компании в 1960-1970-е годы. Обладатель степеней бакалавра естественных наук и магистра гуманитарных наук Гарвардского университета, Дик Бурвен известен, как креативный разработчик схемотехнических решений лаборатории Bell Labs и множества других компаний, позиционировавшийся как независимый консультант по разработке радиотехнических схем. Для компании ADI Дик Бурвен разработал множество аналоговых и аналого-цифровых микросхем, имевших большой коммерческий успех на протяжении многих лет.
 |
|
| Рисунок 2. | Предварительный усилитель Mark Levinson LNP-2. |
Дика Бурвена называют «главной фигурой» в мире электроники на протяжении более 60 лет. Это мнение разделяет известный авторитет в области Hi-End и «человек музыки» Марк Левинсон, в успешной деятельности которого на поприще разработки Hi-End аппаратуры важную роль сыграл Дик Бурвен. Сам Левинсон считает Бурвена уникальной личностью, убежденным аудифилом и «Эдисоном» нашего времени. Бурвен был первым учителем Левинсона в области электроники и помогал ему в создании компаний MLAS (Mark Levinson Audio Systems) и Cello. Например, такие известные разработки, как предварительные усилители Mark Levinson LNP-2 (Рисунок 2) и Cello Audio Palette (Рисунок 3), являются разработками Дика Бурвена [2, 3].
 |
|
| Рисунок 3. | Предварительный усилитель Cello Audio Palette. |
Радиолюбительством Дик увлекся еще в детстве под влиянием его отца Генри Бурвена, работавшего в магазине радиотоваров. В восьмилетнем возрасте Дик уже собирал детекторные приемники и УНЧ на одной, двух и трех лампах, в 14 лет он получил лицензию первого класса по радиотелеграфии и построил свою любительскую радиостанцию с позывным W1NMG. Во время Второй мировой войны радиолюбителям было запрещено работать в эфире, взамен парень увлекся конструированием звуковой техники, а также получил практический опыт в учебной школе ВМФ. На Рисунке 4 Дик Бурвен рядом со своей первой Hi-Fi системой (фото 1945 года). Во время учебы в Гарварде между семестрами Дик работал в Bell Laboratories, а после окончания в 1950 году Гарвардского колледжа и Высшей школы искусств и наук он поступил на свою первую работу в Spencer-Kennedy Laboratories (базировалась в MIT), где построил систему распределения ВЧ сигналов для кабельной сети ТВ [4].
 |
|
| Рисунок 4. | Дик Бурвен с первой Hi-Fi стереосистемой. Фото 1945 года. |
В дальнейшем Дик Бурвен занимался конструированием радиоаппаратуры в различных компаниях, но в 1961 году он оставил последнее место работы в Honeywell, чтобы стать независимым консультантом и разработчиком. В течение последующих 42 лет Бурвен сотрудничал с более чем шестьюдесятью различными компаниями, получил 14 патентов и опубликовал более 30 технических статей. Вызывает уважение широта интересов и областей, в которых успешно реализованы его проекты, среди которых оборудование для авионики и космических аппаратов, морских судов, автомобильной промышленности, медицинская техника, измерительные приборы, микросхемы и функциональные модули. К наиболее известным реализованным проектам относятся также магнитометр, успешно применявшийся для измерений магнитного поля Луны, система шумопонижения для магнитофонов Eliminator с динамическим диапазоном 110 дБ и оборудование для второй в США системы кабельного телевидения. Дик Бурвен состоит членом ряда профессиональных сообществ, в том числе, общества звукоинженеров AES, института инженеров по электротехнике и электронике IEEE, американского акустического общества ASA, общества геофизиков-разведчиков SEG.
 |
|
| Рисунок 5. | Ламповый усилитель, сконструированный Диком Бурвеном. Фото 1946 года. |
Дли читателей журнала могут представлять интерес работы и достижения Дика Бурвена в области звуковой техники и акустики. В его первой Hi-Fi системе (см. Рисунок 4) использовался акустический лабиринт на основе 15-дюмового НЧ динамика фирмы Jensen и двух твиттеров диаметром 5 дюймов. 3-ваттный усилитель был выполнен на пентодах 6L6G и обеспечивал регулировку тембра по НЧ и ВЧ. В проигрывателе пластинок на 78 об/мин использовался 25-фунтовый стальной диск (11.4 кг) и головка звукоснимателя фирмы Audax с алмазной иглой. (Используемые до этого сапфировые иглы допускали только 25 проигрываний). Аналогичный усилитель на пальчиковых лампах Дик сконструировал в 1946 году (Рисунок 5), а в 1950 году сделал автоматический проигрыватель (Рисунок 6).
 |
|
| Рисунок 6. | Проигрыватель-автомат Дика Бурвена. Фото 1950 года. |
Примером удачной разработки Бурвена является ламповый УНЧ UF-101 (Рисунок 7) со сверхнизкими искажениями, выпускавшийся фирмой Krohn-Hite Instrument более 20 лет (с 1954 года). (Компания Krohn-Hite специализируется на выпуске компонентов для измерительной аппаратуры и испытательного оборудования). Усилитель предназначался для лабораторных измерительных стендов и звуковых приложений класса Hi-End Mono. При выходной мощности 50 Вт аппарат обеспечивал усиление сигналов любой формы в диапазоне 0.03 Гц-70 кГц (по уровню ±3 дБ) и 0.5 Гц-30 кГц при неравномерности ±0.5 дБ. Выходные усилители мощности UF-101 выполнялись на четырех популярных у аудиофилов лучевых тетродах 6550 фирмы TUNG-SOL (Рисунок 8). При выходной мощности 50 Вт гармонические искажения не превышали 0.005% (1 кГц), а типовое значение при выходной мощности 35 Вт составляло 0.0015%. Уровень выходного шума изменялся от 1 мкВ при закороченном входе до 8 мкВ при RВХ = 100 кОм. Выходное сопротивление коммутировалось для подключения нагрузок сопротивлением 2, 4, 8, 16 и 225 Ом. В усилителе применялись лампы 12BZ7 (1 шт.), 6U8 (2), 6550 (4) и два кенотрона 5R4GY [5].
 |
|
| Рисунок 7. | Ламповый усилитель UF-101A фирмы Krohn-Hite. |
Дик Бурвен внес значительный вклад в разработку схемотехники операционных усилителей Analog Devices и топологии множества микросхем. Первым продуктом компании был модульный операционный усилитель общего назначения Model 101 (Рисунок 9). В том же 1965 году были выпущены широкополосный ОУ общего назначения Model 102, ОУ с малым током смещения Model 103 и усилители с интегрированным источником опорного напряжения Model 201/202. До конца 1960-х годов компания выпустила множество типов модульных усилителей, а также первые АЦП (ADC-F, ADC-U, ADC-12QM) и ЦАП (MDA-L, DAC-12QZ). Технология изготовления модульных микросхем была весьма трудоемкой, на миниатюрные печатные платы вручную устанавливались дискретные транзисторы, конденсаторы и резисторы, затем плата монтировалась в пластиковый корпус (Рисунок 10) и заливалась компаундом. Тем не менее, спрос на такие модульные микросхемы был значительный – в первый же год объем продаж компании с численностью персонала в 46 человек превысил полмиллиона долларов.
 |
 |
||
| Рисунок 8. | Лучевой тетрод 6550 фирмы TUNG-SOL. |
Рисунок 9. | Первый модульный ОУ ADI Model 101. |
В 1967 году ADI начала издавать научно-технический журнал «Analog Dialog», на страницах которого и в настоящее время публикуются материалы и статьи по применению аналоговых и цифровых микросхем ADI, расчетам различных схемотехнических приложений, обзоры новинок полупроводниковой продукции и тенденций в области электроники и технологий производства полупроводниковых приборов [6].
 |
|
| Рисунок 10. | Внутреннее устройство модульных микросхем ADI. Иллюстрация из журнала Analog Dialog. |
1970-е годы
В 1968 году Мэтью Лорбер ушел из фирмы. Причиной послужило его желание продать компанию, однако Рэй Стата продолжил начатое дело и в 1971 году занял пост президента компании, а сама ADI акционировалась и стала публичной. К этому времени ряд ведущих электронных компаний развернул производство полупроводниковых интегральных микросхем, себестоимость которых была на порядок ниже, чем у модульных микросхем Analog Devices, однако они не могли конкурировать с ними по качественным параметрам. Рэй Стата был убежден в перспективности именно интегральных микросхем и предложил вложить средства компании в полупроводниковое производство. Однако он не нашел понимания ни со стороны сотрудников, ни со стороны совета директоров ADI, так как продажи дорогих модульных продуктов успешно росли и никто не хотел вкладывать значительные средства в рискованное предприятие.
«Ничего не делать» Рэй Стата посчитал большим риском и вложил собственные средства в финансирование группы инженеров из компании Nova Devices, разрабатывавшей аналоговые полупроводниковые микросхемы. В результате ADI приобрела Nova Devices (г. Уилмингтон, штат Массачусетс), впоследствии ставшей полупроводниковым подразделением Analog Devices Semiconductor. Как оказалась, Рэй «угадал» тренд и уже в 1977 году половина всех продаж ADI приходилась на интегральные микросхемы.
Свои первые интегральные микросхемы AD101, AD201, AD301, AD503, AD506 компания выпустила в 1971 году. Первый интегральный ОУ AD101 на 17 биполярных транзисторах выпускался в корпусах ТО-99 (металл) и Mini-DIP (пластик). Единственный внешний конденсатор этого ОУ обеспечивал гибкое применение микросхемы без вхождения в режим защелкивания. Прибор имел полную защиту от КЗ по выходу, широкий диапазон напряжений питания (до ±22 В), малые токи смещения (30 нА) и сдвига (1.5 нА). При производстве ОУ AD503/AD506 с полевыми транзисторами на входах впервые была использована лазерная подгонка параметров тонкопленочных резисторов на кристаллах микросхем.
Первые монолитные инструментальные усилители (ИУ) AD520 на 37 биполярных транзисторах были выпущены в 1972 году. Микросхемы обеспечивали фиксированные коэффициенты усиления 1, 10, 100 и 1000 в полосе частот от 25 кГц (KU = 1000) до 200 кГц (KU = 1).
В 1973 году Рэй Стата, будучи президентом компании, стал и ее генеральным директором. В том же году был выпущен первый быстродействующий интегральный ОУ Analog Devices – AD518, его полоса пропускании на большом сигнале составляла 10 МГц при скорости нарастания выходного напряжения 50 В/мкс.
1974 год был отмечен выпуском ОУ с малым дрейфом AD540M – первого прибора с перекрестно включенными полевыми транзисторами на входах (Cross-quad matched input transistors). Результатом стало получение сверхмалого тока смещения (не более 25 пА), малого напряжения сдвига (не более 20 мВ) и его малой зависимости от температуры (не более 25 мкВ/°C).
Передовая технология лазерной подгонки номиналов резисторов прецизионных микросхем непосредственно на полупроводниковых пластинах была внедрена в производстве в 1975 году. На Рисунке 11 показана обложка журнала «Analog Dialog» с фотографией рабочего стола установки лазерной подгонки параметров компонентов на полупроводниковых пластинах. Процедура подгонки номиналов резисторов проводилась еще до разрезки полупроводниковых пластин на отдельные кристаллы, что позволило существенно снизить трудоемкость изготовления и цену прецизионных микросхем компании без ущерба качественным параметрам. В том же году было начато производство второго поколения инструментальных усилителей. ИУ первого поколения на 58 биполярных транзисторах AD521 обеспечивал фиксированные коэффициенты усиления 1, 10, 100, 1000 в значительно большем диапазоне частот (до 2 МГц при KU = 1).
 |
|
| Рисунок 11. | Рабочий стол установки лазерной подгонки микросхем на полупроводниковых подложках. |
Одним из примеров удачной разработки доступных прецизионных продуктов стал ОУ с полевыми транзисторами на входах AD542 (1978 г.), продававшийся по цене $3.5. Микросхема в корпусе ТО-99 за счет лазерной подгонки компонентов обеспечивала ток смещения не более 25 пА, напряжение сдвига не более 1 мВ и температурный коэффициент 10 мкВ/°C. Микросхема выпускалась на протяжении более 20 лет. На смену ей пришла микросхема AD547 практически с одинаковыми параметрами, но еще меньшим значением напряжения сдвига (0.25 мВ).
Компания последовательно наращивала производство, и в 1977 году была открыта первая фабрика по производству полупроводниковых пластин за пределами США в городе Лимерик (Limerick, Ирландия). Продукция ADI уверенно завоевывает зарубежные рынки, на которых к концу 1970-х годов продается уже 42% продукции. В 1979 году выручка компании превысила $100 миллионов, а на работу был принят Джерри Фишман (Jerry Fishman), с именем которого связывают последующие успехи компании на протяжении более 20 лет. В том же году на работу в компании поступили и талантливые инженеры Поль Брока (A. Paul Brokaw) и Барри Гилберт (Burry Gilbert), разработавшие десятки аналоговых и аналого-цифровых микросхем Analog Devices и других компаний.
1980-е годы
К концу 1982 года в ассортименте компании было уже более двухсот наименований продуктов, а число клиентов, среди которых были такие крупные, как Hewlett-Packard и DEC, превысило 15000. Годовая выручка достигла $156 миллионов. Инновационными продуктами ADI в категории усилителей в этом году стали изолирующие усилители AD293 и AD294, описание которых было опубликовано в первом номере журнала «Analog Dialog» за 1982 год (Рисунок 12). Из многих областей применения изолирующих усилителей можно отметить устройства непрерывного медицинского контроля. В этих устройствах малые сигналы скрыты в существенно бóльших, а утечка по постоянному току может иметь фатальные последствия для пациентов. Для их предупреждения необходимо изолировать опасное высоковольтное оборудование от чувствительных датчиков, соединенных с телом пациента. Применение изолирующих усилителей решает и проблему помех, наводящихся на длинные соединительные линии от датчиков к регистрирующим приборам, так как устраняются общие земляные контуры. Изолирующими элементами микросхем служат трансформаторы с ферритовыми сердечниками, через обмотки которых передаются полезные модулированные ВЧ сигналы от первичных к вторичным секциям микросхем и импульсные сигналы частотой 200 кГц от вторичных секций, предназначенные для питания первичных секций микросхем. Гарантированное напряжение изоляции вход/выход микросхем ±2500 В, для «медицинского» исполнения AD294A – ±8000 В, коэффициенты усиления от 1 до 1000 в полосе от постоянного тока до 2.5 кГц.
 |
|
| Рисунок 12. | Внешний вид изолирующего усилителя AD293. |
В 1983 году группа Поля Брока (Рисунок 13) разработала многофункциональную микросхему AD630 с конфигурируемой коммутационной архитектурой на основе двух ОУ и компаратора. Высокая точность и стабильность параметров обеспечивались за счет лазерной подгонки тонкопленочных резисторов. Микросхему можно использовать в таких задачах обработки сигналов, как балансная модуляция и демодуляция, синхронное, фазовое, квадратурное и фазочувствительное детектирование, синхронное усиление и умножение прямоугольных колебаний. Встроенные резисторы позволяют устанавливать значения коэффициентов усиления +1, +2, +3 и +4 с точностью ±0.05 %. Структура микросхемы, до сих пор включенной в каталог продуктов ADI, приведена на Рисунке 14.
 |
|
| Рисунок 13. | Ведущий специалист Analog Devices Поль Брока (A. Paul Brokaw). |
В середине 1980-х годов ежегодный рост прибылей компании неожиданно сменился спадом. Изначально продукты ADI были ориентированы на рынки измерительных приборов, военной электроники, промышленного управления и медицинской техники, где требовались высокопроизводительные и надежные продукты в сравнительно небольших объемах, но и достаточно дорогие. Начиная с 1985 года поставки на рынок военной электроники стали сокращаться (период «разрядки» напряженности между США и СССР), на многие рынки вторглись японские компании, «сильный» доллар затруднял экспорт. Все эти факторы вынуждали компанию менять стратегию развития.
 |
|
| Рисунок 14. | Структура микросхемы AD630. |
Наглядным примером сложившейся ситуации стал несостоявшийся заказ Sony на 16-разрядный ЦАП для проигрывателей компакт-дисков. Японцы хотели получать высококачественный преобразователь в больших количествах по цене порядка $5. В то время корпоративные клиенты ADI из промышленности, военных и космических ведомств предъявляли высокие требования к качественным характеристикам микросхем, покупали их в сравнительно небольших количествах, а низкая цена продуктов не была приоритетом. Компания продавала аналогичные микросхемы ЦАП по $50, поэтому и отказалась от японского заказа. В результате Sony обратилась к конкурентам и получила желаемое в миллионных количествах.
В первые 20 лет своей деятельности компания имела децентрализованную структуру, каждое разрабатывающее подразделение имело свои собственные производственные мощности, направленные на конкретные технологии. Для перехода на массовый выпуск продукции была необходима централизация производства со значительным увеличением производительности. Основная трудность перехода состояла в преодолении неприятия новой структуры производства ведущими разработчиками. Причина неприятия коротко выражалась так: если я (разработчик) не контролирую свое собственное производство, то вы (руководство компании) не можете делать меня ответственным за прибыль. Поскольку речь шла о творческих личностях, принудительно решать эту проблему волевым путем не следовало. В то время было распространено мнение, что компания может быть или инновационной, или производственной с выпуском продуктов малой стоимости. Потребовались годы работы, чтобы преодолеть этот миф и воплотить девиз Рэя Стата «Creating the new Analog» («Создание новой ADI»). К 1995 году компания не перестала быть инновационной, но производство стало массовым, а годовая выручка достигла $941 млн.
В 1980-е годы компания разработала немало различных микросхем в категории усилителей. Коротко остановимся на некоторых инновационных продуктах, отмеченных на исторической «оси времени» компании.
- AD585 (1984 г.) – быстродействующий прецизионный усилитель выборки-хранения (УВХ) с внутренними конденсатором и резисторами хранения. Структура микросхемы в корпусе DIP приведена на Рисунке 15. Входной ОУ микросхемы с малым выходным сопротивлением нагружен на КМОП ключ, управляемый логическим элементом И-НЕ, «запомненное» на внутреннем конденсаторе напряжение поступает на вход инвертирующего ОУ с высоким входным сопротивлением. Время, необходимое для полной зарядки запоминающего конденсатора (±0.01% от максимального напряжения) не превышает 3 мкс, а падение на нем сохраненного напряжения при разряде составляет 3 мВ/мс. Микросхема может применяться в системах сбора и распределения данных, в аналоговых схемах задержки и хранения, в измерителях пикового значения напряжения и амплитуды сигналов.
 |
|
| Рисунок 15. | Структура микросхемы AD585. |
- AD526 (1987 г.) – усилитель несимметричных сигналов с программно-управляемым коэффициентом усиления. Усилитель обеспечивает усиление 1, 2, 4, 8 и 16 с высокой точностью (0.01% при KU = 1, 2, 4). Выбор KU осуществляется подачей 3-разрядного параллельного кода на управляющие выводы. Ширина полосы пропускания в режиме малого сигнала составляет 350 кГц (при KU = 16).
- SSM2134 (1988 г.) – малошумящий ОУ, разработанный компанией Precision Monolithics (PMI), предназначенный для звуковых приложений высокого класса, например, в качестве корректора RIAA для проигрывателей виниловых дисков и в микрофонных усилителях. Основные параметры микросхемы по спецификациям PMI и ADI: уровень шума 3.5 нВ·√Гц, полоса пропускания на малом сигнале 10 МГц, скорость нарастания выходного напряжения 13 В/мкс.
- AD9617 (1989 г.) – прецизионный широкополосный ОУ с малыми искажениями. Полоса пропускания усилителя на малом сигнале 190 МГц (KU = +3), на большом сигнале – 150 МГц (UВЫХ = 4 В пик.). Устойчивость обеспечивается при KU от ±1 до ±40. Основные области применения микросхемы: преобразователи ток/напряжение с токовых выходов ЦАП, усилители ПЧ и видеоусилители телекоммуникационных устройств, предусилители сигналов ПЗС матриц и фотодиодов.
Литература
Купить AD526 на РадиоЛоцман.Цены
