Operačný zosilňovač µA702 bol prvým monolitickým integrovaným operačným zosilňovačom, ktorý navrhol Robert John Widlar v roku 1963. Spoločnosť Fairchild Semiconductor, v ktorej Widlar pracoval, bola v tom čase lídrom vo vývoji polovodičov a tento zosilňovač predstavoval prelomový krok v oblasti elektronických obvodov. Tento článok sa venuje technickým detailom µA702, jeho aplikáciám a vplyvu na neskorší vývoj analógových integrovaných obvodov.

Robert John Widlar, tvorca prvého operačného zosilňovača µA702

Historické pozadie

V 60. rokoch minulého storočia sa elektronika začala rýchlo rozvíjať, a to najmä vďaka pokroku v oblasti polovodičových technológií. V tomto období sa začali objavovať prvé integrované obvody, ktoré mali potenciál výrazne zjednodušiť návrh a výrobu elektronických zariadení. Pred príchodom operačného zosilňovača µA702 (Všetky komponenty v tej dobe označené na začiatku písmenom gréckej abecedy „µ“ boli pôvodne od spoločnosti Fairchild až do času, keď ich neprevzala spoločnosť Motorola) sa zosilňovacie obvody konštruovali prevažne z diskrétnych súčiastok, ako sú tranzistory, rezistory a kondenzátory, čo si vyžadovalo veľa miesta, zložité zapojenia a vysoké náklady na výrobu.

Schéma vnútorného zapojenia µA702

Robert John Widlar, v tom čase mladý ambiciózny a najmä talentovaný inžinier, videl v týchto problémoch príležitosť. Pridal sa k spoločnosti Fairchild Semiconductor, ktorá bola jedným z priekopníkov vo vývoji polovodičov, a začal pracovať na riešení, ktoré by umožnilo integráciu všetkých potrebných komponentov na jediný kremíkový čip. Widlarov cieľ bol ambiciózny: vytvoriť monolitický integrovaný operačný zosilňovač, ktorý by mal porovnateľné vlastnosti s existujúcimi zosilňovačmi, ale bol by menší, spoľahlivejší a lacnejší na výrobu.

Výsledkom tejto práce bol operačný zosilňovač µA702, ktorý bol uvedený na trh v roku 1963. µA702 bol prvým svojho druhu – monolitickým integrovaným obvodom, ktorý obsahoval deväť tranzistorov, rezistory a ďalšie potrebné komponenty, všetko integrované na jedinom kremíkovom čipe. Widlar čoskoro pochopil výhody ale aj nevýhody planárneho procesu - vyzbrojený  teóriou navrhol prvý skutočný lineárny integrovaný obvod a prvý monolitický operačný zosilňovač μA702. Tento prístup bol revolučný a znamenal významný krok vpred v oblasti elektroniky.

Napriek tomu, že µA702 mal svoje funkčné a konštrukčné obmedzenia, jeho príchod znamenal začiatok novej éry v návrhu elektronických obvodov. Bol to prvý krok smerom k miniaturizácii a masovej výrobe elektronických zariadení, čo výrazne znižovalo výrobné náklady a umožňovalo širšie využitie v rôznych aplikáciách. µA702 bol síce pôvodne určený pre vojenské a vedecké účely, ale jeho úspech podnietil ďalší vývoj a vylepšenia, ktoré viedli k širšiemu využitiu operačných zosilňovačov v spotrebnej elektronike.

Operačný zosilňovač µA702 sa stal neoddeliteľnou súčasťou výskumných laboratórií, kde bol využívaný na experimentálne účely. Vojenské aplikácie ho využívali pre jeho kompaktnosť a spoľahlivosť, a napriek jeho technickým obmedzeniam bol vítaným riešením, ktoré umožňovalo zjednodušiť a zefektívniť mnohé návrhy elektronických systémov. Widlar svojimi inováciami nielenže zlepšil výkonnosť elektronických obvodov, ale tiež otvoril cestu pre ďalšie generácie integrovaných obvodov, ktoré sa stali základom modernej elektroniky.

Technické parametre

Operačný zosilňovač µA702 mal niekoľko technických obmedzení, ktoré však v tom čase neboli výraznými nedostatkami vzhľadom na jeho priekopnícku povahu. Medzi hlavne črty patrili:

• Napájacie napätie: Pracoval s jednosmerným napájaním v rozmedzí 12-15 V.
• Zosilnenie: µA702 dosahoval zosilnenie v desiatkach tisíc, čo bolo vhodné pre mnohé základné aplikácie, avšak s pomerne vysokou nestabilitou.
• Vstupno-výstupné rozsahy: Vstupný rozsah nebol široký a mal tiež pomerne obmedzenú schopnosť dodávať výstupný prúd, čo znamenalo potrebu použitia doplnkových zosilňovacích stupňov pri aplikáciách s vyššími nárokmi na prúd.
• Cena: Cena operačného zosilňovača µA702 bola pri jeho uvedení na trh okolo 300 dolárov, čo ho robilo pomerne drahým, najviac používaným v kritických aplikáciách, ako boli vojenské a vedecké projekty.

Datasheet

Vylepšenia? Museli prísť

Operačný zosilňovač µA702 nebol dokonalý, ale jeho inovatívny dizajn sa stal základom pre následujúce modely. Boll tak drahý, že ho pravdepodobne kupovala len armáda. Mal iba 9  tranzistorov (všetky NPN) a jeho bol výkon priemerný v porovnaní s modernými avšak v tom čase to bol malý zázrak. V roku 1965 Widlar predstavil jeho oveľa vylepšenú verziu, označenú ako µA709, ktorá riešila mnohé nedostatky pôvodného modelu a bol okamžite úspešný. Mal oveľa vyšší zisk a celkovo lepší výkon a bol aj pomerne lacný.  Koncový stupeň je neskreslený, takže pri nízkych úrovniach by bolo skreslenie crossoveru nevyhnutnéi, čo z neho robilo široko používaný komponent v rôznych aplikáciách od prístrojových zosilňovačov až po štandardné audio zosilňovače.

Obrázok na ľavej strane µA702 : Rok 1964. 9 tranzistorov. Obrázok na pravej strane µA709 : Rok 1965. 14 tranzistorov.

Schéma vnútorného zapojenia µA709

Význam a vplyv na vývoj elektroniky

Dizajn µA702 položil základy pre moderné operačné zosilňovače, ktoré sa dnes bežne používajú v mnohých aplikáciách. Tento prvý krok k integrácii viacerých komponentov na jeden kremíkový čip viedol k dramatickému zlepšeniu spoľahlivosti a získaniu výhody z hromadnej výroby, čo výrazne znižilo náklady a rozšírilo možnosti použitia operačných zosilňovačov.

Napriek jeho technickým obmedzeniam bol µA702 kľúčovým prvkom vo vývoji analógových integrovaných obvodov. Tento operačný zosilňovač ukázal, že monolitické integrované obvody sú možné a že môžu poskytovať vysokú účinnosť aj pri obmedzených výrobných technológiách.

Záver

Operačný zosilňovač µA702 bol prvým krokom v dlhej čaré integrovaných obvodov, ktoré dnes tvoria neoddeliteľnú súčasť väčšiny elektronických zariadení. Robert John Widlar a jeho tím výrazne prispeli k rozvoju elektroniky a ich výsledky práce majú dodnes vplyv na technológie, ktoré každodenne využívame.

µA702, aj keď sa dnes možno nepoužíva, zanechal svoj nezmazateľný odtlačok v histórii elektronických obvodov. Je to príklad, ako sa inovácie v oblasti dizajnu a technologických procesov dokážu premietnuť do skutočných produktov, ktoré menia svet.