Wzmacniacz. Dominacja MOS

Wzmacniacz. Dominacja MOS

W charakterystycznym dla rozwoju mikroelektroniki 1977 roku wartość światowej sprzedaży układów scalonych 3.5 mld dolarów przekroczyła wartość sprzedaży wszystkich półprzewodników dyskretnych sprzedanych za 3 mld. Układów MOS ( w tym CMOS ) sprzedano za 1.8 mld a bipolarnych za 1.7 mld dolarów czyli w gruncie rzeczy głównie mikrokomputerowe ( ale nie tylko ) układy MOS przebiły całość układów bipolarnych. Układów liniowych ( też już powoli produkowane są w CMOS ) sprzedano za niepełne 800 mln dolarów. W cenach bieżących ( trwa inflacja dolara i innych walut ) wartość sprzedaży układów scalonych podwoiła się już w 1980 roku. Biorąc pod uwagę ilość Ziemian i ich potrzeby produkcja mikroelektroniki nie jest duża ale faktycznie odbywa się ona tylko w USA, Japonii i Europie Zachodniej. Europa nie jest mocnym zawodnikiem w tej dziedzinie w przeciwieństwie do ostro grającej Japonii.

Koszt nowej fabryki półprzewodników podwaja się co 4 lata co jest niepokojące bowiem bez modernizacji łatwo jest wypaść z gry bez możliwości powrotu.

Nowością jest zlecanie produkcji swojego układu scalonego czy tranzystora według własnego projektu. Niekoniecznie więc aby napić się piwa trzeba kupować cały browar.

Układy scalone projektuje się z wykorzystaniem minikomputerów i komputerów. Dostępne są pliki z różnymi projektami IC co znakomicie ułatwia chętnym wejście do tematu. Utrudnieniem jest wielość komputerowych systemów projektowania i formatów plików.

Mając sprawdzony schemat dla prostego układu scalonego i szczegółowe wytyczne do testu zaprojektowanie rozkładu elementów i połączeń, wykonanie masek, produkcja i testowanie chipa i obudowanego układu trwa według szczegółowego planu pracy i harmonogramu 60 - 80 dni.

Dane pochodzą z prestiżowego czasopisma „Electronics”.

Największym producentem pamięci półprzewodnikowych jest... Japonia.

Ceny jednostki funkcjonalności układów scalonych cały czas maleją. Zawierający 20-60 tranzystorów taniejący pojedynczy wzmacniacz operacyjny kosztuje 1-20 dolarów ale sprzedaż wyrafinowanych drogich układów jest mała i stąd wynika też ich cena. Poczwórny wzmacniacz operacyjny w obudowie DIL14 kosztuje 2 dolary czyli jeden wzmacniacz operacyjny kosztuje 0.5 dolara.

Liderem w produkcji mikroprocesorów jest Intel. Motorola wypuszcza mikroprocesory o funkcjonalności Intela rok później ale są znacznie bardziej dojrzałe i tańsze aplikacyjnie. Za nią kroczy MOS Technology i Zilog. Szesnastobitowa Motorola 68000 to odpowiedź na 8086 Intela. Aby użyć w konstrukcji mikroprocesora, potrzebne są narzędzia programowe i system uruchomieniowy. W tej dziedzinie Intel bije konkurencje na głowę i może sobie pozwolić na ekscesy żądając na swój mikroprocesor ośmiobitowy prawie dwa razy tyle co Motorola , 3 razy tyle co MOS Technology ( założony przez ludzi którzy projektowali mikroprocesory 6800 w Motoroli !) i 3.5 razy tyle co Zilog za znacznie lepszego i wydajniejszego Z80. Procesor Z80 ma wszystkie rozkazy Intel 8080 i dodane użyteczne nowe rozkazy. Sam odświeża pamięć dynamiczną DRAM ! Układ mikrokomputera z nim jest bardzo prosty na tle Intel 8080 który wymaga wielu układów otoczenia a odświeżanie pamięci DRAM to koszmar. Na tym przykładzie widać o co idzie wyścig – pierwszy na rynku ma fory i zgarnia pieniądz !

Nic dziwnego że w domowych mikrokomputerach stosowane są procesory Motorola, MOS Technology i Zilog. Szybko tanieje bit pamięci RAM i ROM.

„Electronics” porównał teraz przewidywania z roku 1974 ze stanem z 1980 roku. Były one całkiem dobre ! Wszystko to wynika z postępów technologii mikroelektronicznej a zwłaszcza rosnącej rozdzielczości litografii czyli taniejących scalonych tranzystorów, których w układach scalonych jest coraz więcej.

Niepełny przgląd.

-Pierwszy monolityczny akustyczny wzmacniacz mocy jest z 1968 roku. Pierwszy taki wzmacniacz mocy wykonany w konfiguracji wzmacniacza operacyjnego jest z 1972 roku a trochę później (1974 ) dodano dobre zabezpieczenia obszaru SOA przed zniszczeniem wyjściowych tranzystorów mocy. Różnica polega na podwójnym wtórniku wyjściowym we wzmacniaczu mocy. Od tego czasu wysokiej jakości wzmacniacz mocy audio ( także dyskretny ) jest konstruowany jak wzmacniacz operacyjny. Trudny technologicznie tranzystor mocy VMOS się nie przyjął ale oferowane są już Mosfety mocy ! Mają bardzo szeroki obszar bezpiecznej pracy SOA. Kwestią czasu jest scalenie tych tranzystorów we wzmacniaczu mocy czy szerzej w układzie mocy.

-Idea monolitycznego miernika cyfrowego ma już swoje lata. Przed doskonałym układem Intersil ICL7106 z 1976 roku pierwszy dwu-układowy zestaw 3 1/2 cyfrowego miernika prezentowano w 1972 roku.

-Plessey w 1972 roku w układzie SL437 scalił w wąskiej obudowie DIL24 do odbiornika TV regulowany wzmacniacz IF wraz z regulacją AGC głowicy z tranzystorami PNP lub NPN, regulacją częstotliwości AFC, demodulatorem synchronicznym, wzmacniaczem IF FM fonii z demodulatorem kwadraturowym i regulacją głośności. Układ jest oszczędny aplikacyjnie. Pomiędzy głowicą a układem jest filtr LC o skupionej selektywności. Plessey stosuje modyfikacje technologi w której produkuje się szybkie układy logiczne ECL. Do układu można by dodać system synchronizacji poziomej i pionowej ale przy obecnie stosowanych obudowach DIL jest to niemożliwe.

Diodowy detektor pośredniej częstotliwości „wizji” w ogóle nie nadaje się do

telewizyjnego odbiornika kolorowego. Przed zastosowaniem demodulatorów synchronicznymi uzyskanie dobrego kolorowego obrazu i dźwięku wymagało strasznie rozbudowanego toru IF. Sygnał za pierwszym tranzystorem regulowanego selektywnego stopnia wzmacniacza IF rozgałęziano na trzy (!) dalsze selektywne wzmocnienia i detektory diodowe dla – czarno białego sygnału Video, dla sygnału nośnych kolorów i dla fonii. Wzmacniacz IF z detektorami miał ponad 20 strojonych obwodów LC. Z kolei uproszczony wzmacniacz IF daje efekt widoczny na ekranie odbiornika Rubin. Można pomyśleć że odbiornik Rubin jest uszkodzony ale on taki po prostu jest. Philips zapowiada sprzedaż filtrów z akustyczną falą powierzchniową do IF – TV ale ma problemy. Niemniej tor IF do odbiornika kolorowego bardzo się uprości a przede wszystkim odpadnie makabryczne strojenie mnóstwa obwodów LC. Produkcja odbiornika TVC będzie ułatwiona !

-Specjalizowane układy do wybierania kanałów TV z syntezą częstotliwości PLL i zdalnym sterowaniem są sprzedawane od 1974 roku. Sterowanie komplikuje się po dodaniu dekodera Ceefax i rozbudowie odbiornika o wysokiej jakości stereofoniczny dźwięk i współpracę z magnetowidem... co już wymaga mikrokontrolera.

-Przyjęły się elektroniczne zegarki z układami CMOS i miniaturowym rezonatorem kwarcowym 32768 Hz. Są produkowane masowo. Ceny cały czas maleją ale nadal nie są niskie. Wyświetlacze LCD wyparły kłopotliwe energożerne wyświetlacze LED

-Coraz bardziej złożona jest elektronika aparatów fotograficznych ( wielostrefowy pomiar światła matrycą, autofocus, elektroniczne sterowanie migawki, napinanie taśmy motorkiem.. ) gdzie stosuje się już układy MOS i CMOS. Bardzo dobre i drogie są nowoczesne aparaty japońskie z firmą NIKON na czele. Fotograficzne lampy błyskowe dozują energie błysku stosownie do oświetlenia.

-Zyskują w USA popularność aparaty telefoniczne ( także głośnomówiące ) z szybkim cyfrowym wybieraniem numeru klawiaturą i pamięcią numerów. W domu jest to tylko luksus, wygoda i prestiż ale w biurze to powiększona wydajność pracy. Ale potrzebny jest system telekomunikacyjny...

 

-Roczna sprzedaż układów scalonych i półprzewodników do systemów samochodowych przekroczyła 1 mld dolarów i dynamicznie rośnie. Jest już pierwszy sterownik wtrysku benzyny i zapłonu z mikrokontrolerem. Elektroniczny wtrysk z zapłonem podwyższają moc silnika zmniejszając jednostkowe zuzycie paliwa i emisje toksyn do atmosfery. Już w tej chwili do elektronizacji jest w samochodzie osobowym możliwych ( ludzka wyobraźnia i pomysłowość ) prawie 60 funkcji ! Jeden mikrokontroler czy mikrokomputer może wykonywać wiele funkcji.

-Tanieją mikroprocesory i pamięci. Idea domowego mikrokomputera ( Apple, Atari, Commodore, TRS-80 ) ale także konsoli do gier może producentom przynieść ogromne pieniądze ale wszystko zależy od atrakcyjności dostępnych ( to znaczy do kupienia ) programów. Oferowane są płytki ze złączem do włożenia we wtyk w komputerze z dodatkowymi pamięciami. Na płytce takiej można wykonać interfejs równoległy i szeregowy do na przykład systemu automatyki lub centrali telefonicznej ! Konieczne jest też wykonanie ( niestety w asemblerze ) odpowiedniego programu do kontrolowanego systemu.

-Szybko rozwija się elektronika dla samolotów i statków. Systemy automatyki, monitoringu i alarmów pozwalają skonstruować bezzałogową siłownie i zredukować załogę statku. Polska jest dużym producentem statków ale niestety importuje bardzo drogie systemy elektroniczne i nie tylko one, co obniżą rentowność produkcji. Staje się jasne że samo cięcie i spawanie grubych blach statku jest droga donikąd. Ministrowie i stoczniowcy nie chcą tego przyjąć do wiadomości. Nierentowny eksport zubaża cały naród. Produkcja w Polsce elektroniki dla statków jak najbardziej ma głęboki sens mimo iż jest to dość mała produkcja.

Urządzenia produkowane mało i średnioseryjnie są drogie bowiem w kosztach dominuje projektowanie i ewentualny koszt programu. W przemysłowym regulatorze PI/PID z mikroprocesorem koszt CPU pamięci i portów nie przekracza 15% ceny regulatora.

Wymiana informacji przyśpiesza postęp w każdej dziedzinie. Równolegle do rewolucji przemysłowej trwała rewolucja w komunikacji - Telegraf świetlny, elektryczny, telefon, radiokomunikacja, telewizja.

Wszystkie kraje RWPG są zapóźnione w telekomunikacji.

-Mała jest produkcja przestarzałych ( w Polsce licencyjnych ! ) central telefonicznych

-Produkowane są tylko prymitywne mało pojemne systemy telefonii nośnej co sprawia że komunikacja międzymiastowa praktycznie nie istnieje

Nowoczesna centrala telefoniczna o dużej pojemności jest skomplikowana. ESS No1 ( Electronic Switching System czyli Centrala Telefoniczna ) Bell Laboratories z 1964 roku ma sterowanie komputerowe ale komutacja sygnałów odbywa się wielostykowymi kontaktronami.

Użyte komputery są prymitywne i współczesny tani mikroprocesor ma lepszą wydajność.

Typowa wielkomiejska centrala telefoniczna ESS No 1 ma:

-122 700 tranzystorów

-379 100 diod

-514 900 rezystorów, kondensatorów, transformatorów i innych elementów biernych

-35 milionów bitów w matrycach pamięci ferrytowej czyli niecałe 4.4 MB pamięci czyli nie tak dużo

Polska kupiła od Francji licencje na centrale elektroniczne PCM typu E10. Ponieważ postęp mikroelektroniki jest szybki to już teraz cześć cyfrowa wykonana tylko na prostych układach TTL zaczyna śmieszyć. Także przestarzała i nieracjonalna kosztowo jest część analogowa. Użycie m.in. mikroprocesorów i pamięci może bardzo zmniejszyć rozmiar centrali i obniżyć jej koszt. Bardzo upraszczają konstrukcje centrali PCM ale także koncentratorów dedykowane układy scalone. Produkuje je na przykład Plessey. Do mocnego uproszczenia trzeba tylko kilku rodzajów dedykowanych układów i funkcjonalne ich skopiowanie jest możliwe.

Do pojemnych systemów telefonii nośnej z kablem koncentrycznym Bell Laboratories – Western Electric produkuje dla AT&T kluczowe liniowe tranzystory mikrofalowe ale tranzystory BFR91-96 i nowsze ( czy są ? ) Philipsa nie są wcale gorsze a są dostępne w normalnej sprzedaży. Wydaje się że ulepszenie masowej produkcji dobrego kabla koncentrycznego i opanowanie masowej i taniej produkcji rezonatorów kwarcowych do filtrów nie jest ponad nasze siły.

Z centralami PCM jednak bardziej racjonalne i przyszłościowe ( możliwość przesyłania między komputerami dużej ilości informacji cyfrowej ) są cyfrowe radiolinie mikrofalowe. Ich sieć jest także tańsza niż rozbudowana ogólnokrajowa sieć kabli koncentrycznych. W tym przypadku embargo eksportowe na niektóre elementy mikrofalowe ( elementy te używane są w nowoczesnej broni ) jest trudne do obejścia ale radiolinie takie produkuje nie wroga nam Francja.

Wręcz wstydliwe jest nasze zapóźnienie w telekomunikacji. W USA telekomunikacja jest potężnym, rentownym działem gospodarki i tak samo powinno być w Polsce. Na rynku jest więcej pieniędzy niż towaru i można za instalacje telefonu żądać sensownej, odpowiednio wysokiej zapłaty ( pieniądze na inwestycje rozwojowe ) i abonamentu a nie kazać czekać na linie telefoniczną 10 lat. Zachodnie przedsiębiorstwa telekomunikacyjne są monopolistami. Polacy na pewno chcą korzystać z usług telekomunikacyjnych !

Warunkiem koniecznym ( ale oczywiście nie dostatecznym ) zaistnienia wzrostu gospodarczego jest poprawna alokacja kapitału a warunkiem szybkiego wzrostu optymalna alokacja kapitału. Ogólne sformułowanie trzeba przekuć na konkretne decyzje inwestycyjne i rozbudowujące moce wytwórcze. Niemniej dyscyplina pracy, organizacja pracy, uczciwość, sprawiedliwość w traktowaniu pracowników i grup pracowników oraz dobre przykłady płynące w góry mają ogromne znaczenie i tak samo są warunkami koniecznymi wzrostu. Niesprawnie prowadzone, przewlekłe inwestycje mają mały sens jako że kapitał jest jałowo zamrożony ( a trzeba płacić odsetki od zagranicznego kredytu ) a przyszły produkt będzie już starawy lub przestarzały czyli dużo tańszy.

Obecnie dwubramkowy tranzystor Mosfet od częstotliwości kilkunastu MHz do ponad 1 GHz ma najmniejsze szumy ze wszystkich tranzystorów, duże wzmocnienie i jest liniowy to znaczy wnosi małe intermodulacje. Jest także dobrym mieszaczem. Koncerny USA i Japonii od lat produkują dwubramkowe Mosfety do głowic VHF-UHF. Koncerny japońskie produkują tunery UKF-FM o niewiarygodnie wysokich parametrach. W głowicach użyto dwubramkowych Mosfetów w stopniu wzmacniacza wejściowego i często mieszacza. Na zakresie VHF stosowane jest mieszanie multiplikatywne z doprowadzeniem znacznego sygnału heterodyny do bramki drugiej a na zakresie UHF mieszanie addytywne z mniejsza heterodyną podaną razem z sygnałem do bramki 1.

W USA sieci telewizji kablowej wystartowały dużo wcześniej niż w Europie Zachodniej. Głowica do telewizji kablowej z uwagi na duża ilość programów musi mieć bardzo dobre parametry jeśli chodzi o intermodulacje i tłumienie sygnału lustrzanego. Zakres kablowy jest od końca zakresu VHF III do początku UHF a więc bardzo szeroki. Głowica z tranzystorem bipolarnym ( wymagania spełniłby dopiero drogie tranzystory szerokopasmowe BFR91,96) jako wzmacniaczem i mieszaczem absolutnie nie spełnia wymagań nawet jeśli zastosujemy tranzystory zaprojektowane do pracy ze znacznie większym prądem kolektora.

Siemens jako pierwszy w Europie obudził się i oferuje dwubramkowe Mosfety do głowic. Lepszy tranzystor BF960 na zakres UHF i BF 961 na VHF.

Tranzystor BF960 ma przy f=800 MHz typowe wzmocnienie w układzie z filtrującymi - dopasowującymi obwodami LC w bramce wejściowej i wyjściowym drenie 16.5 dB a przy f=200 MHz aż 23 dB. Typowy współczynnik szumów wynosi przy tych częstotliwościach odpowiednio 2.8 dB i 1.6 dB. Mieszacz addytywny przy f=800MHz ma wzmocnienie 16 dB.

Poziom intermodulacji znacznie obniża przestrajany filtr ( tłumi zbędne w danym momencie kanały ) przed wzmacniaczem ale wnosi on tłumienie i podwyższa poziom szumów głowicy. Ponieważ Mosfety są niskoszumne stosuje się strojony filtr wejściowy i oczywiście strojony filtr pasmowy na wyjściu wzmacniacza.

Pojemność wejściowa bramki i drenu zmieniają się trochę przy zmianie napięć obu bramek (!) prądu drenu czyli przy regulacji wzmocnienia ARW. Zmienia się też oporność wejściowa i wyjściowa. Stosuje się w głowicach wyrafinowane układy filtrująco – dopasowujące impedancje (patenty można zawsze obejść i dodatkowo udoskonalić rozwiązania ) tak aby w całym zakresie kablowym i UHF utrzymać dobre dopasowanie i stałe pasmo filtracji niezależnie od zmiany w funkcji częstotliwości parametrów Mosfeta.

Mosfet na tle zwykłego tranzystora bipolarnego stosowanego w głowicach ma dużą odporność na intermodulacje i filtr strojony wejściowy dodatkowo ją powiększa. Nawet przy odbiorze sygnału telewizji kablowej z dużą ilością programów wnoszone intermodulacje są znikome a jakość odbioru znakomita.

Stosuje się ciekawy algorytm pracy ARW. Jednocześnie obniża się napięcie bramki drugiej i podwyższa pierwszej co pozwala utrzymać liniowość pracy - na wykresie zatem w prawo od maksimum wzmocnienia. Szumy tranzystora przy redukcji wzmocnienia AGC rosną dość słabo co jest kolejną zaletą dwubramkowego Mosfeta.