原创 遗忘但应回忆的电路

什么是遗产型IC？我们来看看一些最初的元件，讨论一下为什么应该重新使用这些元件。 随着电子技术的成熟，电子技术也同时开始出现了老化的迹象。随着创新势头的衰弱，取得技术突破所需要的时间越来越长，同时人们也越来越不愿意冒风险。几十年前，一些集成电路（IC）公司愿意将一些非同寻常的独创性元件投入市场。比如，20世纪70年代，西格尼蒂克（Signetics）公司就勇于制造一款新颖的集成电路，即克马恩齐恩德(Hans Camenzind)的“555定时器”。这款集成电路成为了最早的遗产型集成电路。 那么其他电路如何呢？本文叙述了这些电路元件，以及应该重新使用它们的原因。 AD639正弦转换器 很久以前，巴里.吉尔伯特（Barrie Gilbert）对双极结型晶体管（BJT）差分放大电路做了一些研究，这种电路具有一种双曲正切函数（tanh）传递函数：

其中，I0代表射极源电流和热电压。VT是26 mV。为了降低非线性度，外接射极电阻RE与放大器中的发射极串联。而研究过程中，吉尔伯特充分运用并体现了工程学中的一句格言“如果不能改变它，那就利用它”。 双曲线正切函数与三角函数成模糊相关。艾科嘉（Exar）公司的Alan Grebene在XR2206函数发生器（FG）集成电路中使用了一只单独的差分放大器，用于将三角波转换成正弦波。研究结果差强人意，但是对于第一代工作来说，结果还是可以接受的。而吉尔伯特对这一基础设想做了更多精细调整。他提出了多个双曲线正切函数概念，即增加了差分放大器的输出，差分放大器各输入之间的偏移是一个固定电压。这一方法扩展了功能（和输入范围），同时也带来了其他方面的创新，比如应用于AD639正弦转换器中的创新。 这种16引脚集成电路是三角学的奇迹。它的功能如此强大，注定要成为一种遗产型集成电路。可惜呀，模拟器件公司(ADI) 将AD639撤出了市场，并且没有替代品。我不知道原因，即使吉尔伯特自己也不知道。AD639似乎注定要成为一个传奇。它可以合成出所有的基础三角函数（正弦、余弦、正切、余切、正割、余割）和它们的反函数。 正弦函数精度达到0.02%，高于大多数函数发生器的正弦输出，总谐波失真（THD）也同样优于很多音频放大器。该集成电路有两个函数发生器，而且还具有补偿电路，以及一个乘法器和一个除法器。它采用面向小众市场的定价法，因此，无法进入FG仪器以及其它要求精度或低THD的正弦波设备。它的标称值为1.5MHz。 也许唯一的问题是，由于AD639如此具有吸引力，因而，模拟器件公司(ADI)给它贴上了高价的标签，妨碍了其作为商业元件而进入市场。也许罗彻斯特电子有限公司（Rochester Electronics）作为“拖尾”市场的主导供应商可以使其复活，并获取它本来能够产生的利润。如果那些第一次没有赶上好时机的元件可以应用于新设计，罗彻斯特电子有限公司没有理由把自己局限于面向过时设备的替代元件供应商。

CA3096双极结型晶体管（BJT）阵列 这是和AD639正弦转换器类似的高度通用性基本单元——晶体管阵列。美国无线电公司（RCA）研制出一种包含一行CA3000系列电路的BJY阵列。对NPN型BJT，有些元件的fTs超过1GHz，非常适用于当今的新型设计。 美国无线电公司（RCA）重新改组后，最终成为英特锡尔（Intersil）公司，但是损失了其老旧大尺度工艺的晶圆制造厂。美国泰克（Tektronix）公司在CA3046（或者其等效的National LM3046）元件基础上，设计了自己2205示波器中的纵向放大器，它对于实现快速的双象限或四象限的乘法器很有吸引力。 英特锡尔（Intersil）公司的继承很多，但这类元件的供给有限，虽有但却在减少。这些元件应该回归到某种现有工艺上。它虽不是一个重要的开展项目，但这些元件会大有用途。英特锡尔（Intersil）公司确实研制了一个替代品，即具有数吉赫fTs的HFA3000系列SOIC元件，但相应的击穿电压较低（如图1）。 原始的CA3000系列适应于±12V的电源电压，但是HFA系列是专为±5V电源电压设计的。集成电路可以承受最高约10V电压。HFA系列更大的改进是PNP型BJT，它是介质绝缘的，而不是像CA3096（如图2）那样做成了横向晶体管。 CA3096是一种多功能元件，具有三个NPN型BJT和两个PNP型BJT。一个缺点是横向PNP的fT仅为6 MHz左右（很难做出横向BJT所要求的薄基层）。但是，对于很多电路来说，这一规格不是主要的障碍。 举例，一个反馈放大器的准静态增益是3，带宽超过50 MHz（见图3）。它具有两条正向通道。慢通道经过PNP电流镜，快通道通过差分放大器输入段的Q2。它使用了全部5只阵列BJT。唯一的其它半导体元件是雪崩二极管Z1。 由于元件供应不稳定，你肯定不愿意让这个电路设计成为某种新产品。此外，HFA元件没有电压范围。如果某个IC系列具有和CA3000媲美的性能，而采用介质绝缘的PNP，它就会成为集成电路遗产中广受欢迎的新成员。

图注 3 这个反馈放大器的准静态增益是3，带宽超过50 MHz。它使用CA3096的全部5只阵列BJT。唯一的其它半导体元件是雪崩二极管Z1。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 MC14500B工业控制单元 摩托罗拉生产的16引脚MC14500B是一款单比特1 MHz的互补金属氧化物半导体（CMOS）处理器。它具有三个单比特寄存器（flops）和一个算术逻辑单元，可以执行16个指令。较新的微型控制器替代了MC14500B，但这不是重点。MC14500B是一个大的通用逻辑块，它仅需要一个外部计数器做程序计数器（PC），以及一个PC驱动的程序存储器。 数据存储器也是输入/输出（I/O）存储器。存储器输出中的4个位驱动MC14500B上的操作码输入端；其他位则用于8位双向锁存I/O寻址（MC14599B），以及8输入多路复用器或数据选择器（MC14512）。 单比特的累加器又称为结果寄存器（RR）。指令包括：装入RR、装RR的补集、AND RR数据、补集数据和AND、OR、补集数据和OR、非NOR（同）、存储并把有效的RR输出存储到补码脉冲写入线、把输入数据转到输入寄存器或输出寄存器、如果RR=0则跳过下一条指令、脉冲标志位O输出或F输出。另外两条指令是无条件转移指令（JMP）和返主指令（RTN），同样输出标志位脉冲。无条件转移指令（JMP）可用于加载地址到PC。RTN指令输出一个RTN标志位并跳过下一条指令。 内置振荡器生成驱动PC的时钟。时钟的上升沿使PC递增，而在其高电平时获取指令。当时钟处于低电平周期时，解码并执行指令。 MC14500B使用位串行处理方式，而且属于输入/输出（I/O）密集型，那么，MC14500B在当今有什么优势呢？它需要使用额外的计数器、程序和数据存储器，它将一直是过时的元件，因为它无法和较低成本的8到16引脚可编程闪存IC竞争，后者易于使用，有更加强大的功能。尽管MC14500B很有意思，但它需要太多的比特转换，因此很难回归生产。虽然MC14500B的系数给人们带来启发，但这款元件将一直被忘却。 MC14549和MC14559逐次逼近寄存器 这些逐次逼近寄存器（SAR）曾是摩托罗拉4000系列互补金属氧化物半导体（CMOS）数字集成电路中的元件。逐次逼近寄存器每个集成电路有8位，可以级联以获得更多位。它们用于构造逐次逼近模数转换器(ADC)。逐次逼近寄存器内部是一个移位寄存器和一个并行加载寄存器。 尽管SAR很简单，但却是非常实用的数字功能。SA算法从一个区间的中位数开始，通过一种渐近的布尔比较而搜索这个区间。如果电压较高，则设定最高有效位，并测试下一个位，直到确定了所有位。对n位的全部转换要花n个时钟周期，而与数字化值无关。 增加一个比较器以及用于驱动额外DAC的一到两只SAR IC，就可以把一个简单的模数转换器(ADC)和其他剩余子元件一同加入系统。虽然就当今而言，这种集成程度属于半分立型，但是对于很多具有多个数字模拟转换器和多个比较器的应用而言（且需求是使用简单的模数转换器），这种设计仍然是可行的。 逐次逼近寄存器也可以用于自动量程设置，且所需的平均步骤数少于顺序量程。同样，在一只可变增益放大器（VGA）的大增益区间内使用一个SA搜索，就可以设定VGA的增益。位的权重可能不再使用二进制，而是使用十进制 或者1-2-5序列。但如果它是单调性，那么这种方案就适用。 MC4530双重5输入多数决定门 因一种较奇特的逻辑功能而集成化并且进入市场，这就是摩托罗拉销售的双重5输入多数决定门。如果5路输入中有3路或3路以上有效，那么输出就有效。那些希望从现有逻辑元件中发现新奇用途的人可能会对这种元件感兴趣。输出处有来自一个W输入的异或非（同等）门控，用于设置输出的优先级。 它的用途是什么？这种元件用于一些不常见的应用，但可以诱导出一些创造性思维。在一个冗余系统中，如果五个或少于五个的子系统呈现一种状态，则器件就会做出一种决定。比如，如果医院重症病房的生命体症监控器显示五个病人中有三个或三个以上出现了问题，则进入一个应急分诊状态。 增加一个比较器以及用于驱动额外DAC的一到两只SAR IC，就可以把一个简单的模数转换器(ADC)和其他剩余子元件一同加入系统。 把一个高输入和一个低输入连接起来，三台控制电脑中的两台就能决定输出结果（航空飞机上就是如此）。另一种方式是，如果多组电容器采用异步充电，n组电容器中有m个输出表示已经充满，那么就有了足够的电，点燃设备就被使能。此功能遵循平等主义；n个中的任何m个都可以触发一个事件。通过使用反相输入逻辑，如果一个静态稳定的多脚机器人，其n只脚中有少于m只脚着地，那么就会触发一个故障状态。 把一个多数决定门的输出端级联到另一个多数决定门的输入端，就能实现投票层级。前五个在后五个中产生一票。尽管这是一种比较实际的用途，但它仍然是不常见的逻辑功能。难怪这种电路被人们遗忘了。 作者介绍:丹尼斯.福伊赫特（Dennis Feucht）是Innovatia Laboratories的研发人员。（伯利兹，卡约） 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载