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什么是遺產型IC？我們來看看一些最初的元件，討論一下為什么應該重新使用這些元件。 隨著電子技術的成熟，電子技術也同時開始出現了老化的跡象。隨著創新勢頭的衰弱，取得技術突破所需要的時間越來越長，同時人們也越來越不愿意冒風險。幾十年前，一些集成電路（IC）公司愿意將一些非同尋常的獨創性元件投入市場。比如，20世紀70年代，西格尼蒂克（Signetics）公司就勇于制造一款新穎的集成電路，即克馬恩齊恩德(Hans Camenzind)的“555定時器”。這款集成電路成為了最早的遺產型集成電路。 那么其他電路如何呢？本文敘述了這些電路元件，以及應該重新使用它們的原因。 AD639正弦轉換器 很久以前，巴里.吉爾伯特（Barrie Gilbert）對雙極結型晶體管（BJT）差分放大電路做了一些研究，這種電路具有一種雙曲正切函數（tanh）傳遞函數： 其中，I0代表射極源電流和熱電壓。VT是26 mV。為了降低非線性度，外接射極電阻RE與放大器中的發射極串聯。而研究過程中，吉爾伯特充分運用并體現了工程學中的一句格言“如果不能改變它，那就利用它”。 雙曲線正切函數與三角函數成模糊相關。艾科嘉（Exar）公司的Alan Grebene在XR2206函數發生器（FG）集成電路中使用了一只單獨的差分放大器，用于將三角波轉換成正弦波。研究結果差強人意，但是對于第一代工作來說，結果還是可以接受的。而吉爾伯特對這一基礎設想做了更多精細調整。他提出了多個雙曲線正切函數概念，即增加了差分放大器的輸出，差分放大器各輸入之間的偏移是一個固定電壓。這一方法擴展了功能（和輸入范圍），同時也帶來了其他方面的創新，比如應用于AD639正弦轉換器中的創新。 這種16引腳集成電路是三角學的奇跡。它的功能如此強大，注定要成為一種遺產型集成電路。可惜呀，模擬器件公司(ADI) 將AD639撤出了市場，并且沒有替代品。我不知道原因，即使吉爾伯特自己也不知道。AD639似乎注定要成為一個傳奇。它可以合成出所有的基礎三角函數（正弦、余弦、正切、余切、正割、余割）和它們的反函數。 正弦函數精度達到0.02%，高于大多數函數發生器的正弦輸出，總諧波失真（THD）也同樣優于很多音頻放大器。該集成電路有兩個函數發生器，而且還具有補償電路，以及一個乘法器和一個除法器。它采用面向小眾市場的定價法，因此，無法進入FG儀器以及其它要求精度或低THD的正弦波設備。它的標稱值為1.5MHz。 也許唯一的問題是，由于AD639如此具有吸引力，因而，模擬器件公司(ADI)給它貼上了高價的標簽，妨礙了其作為商業元件而進入市場。也許羅徹斯特電子有限公司（Rochester Electronics）作為“拖尾”市場的主導供應商可以使其復活，并獲取它本來能夠產生的利潤。如果那些第一次沒有趕上好時機的元件可以應用于新設計，羅徹斯特電子有限公司沒有理由把自己局限于面向過時設備的替代元件供應商。 CA3096雙極結型晶體管（BJT）陣列 這是和AD639正弦轉換器類似的高度通用性基本單元——晶體管陣列。美國無線電公司（RCA）研制出一種包含一行CA3000系列電路的BJY陣列。對NPN型BJT，有些元件的fTs超過1GHz，非常適用于當今的新型設計。 美國無線電公司（RCA）重新改組后，最終成為英特錫爾（Intersil）公司，但是損失了其老舊大尺度工藝的晶圓制造廠。美國泰克（Tektronix）公司在CA3046（或者其等效的National LM3046）元件基礎上，設計了自己2205示波器中的縱向放大器，它對于實現快速的雙象限或四象限的乘法器很有吸引力。 英特錫爾（Intersil）公司的繼承很多，但這類元件的供給有限，雖有但卻在減少。這些元件應該回歸到某種現有工藝上。它雖不是一個重要的開展項目，但這些元件會大有用途。英特錫爾（Intersil）公司確實研制了一個替代品，即具有數吉赫fTs的HFA3000系列SOIC元件，但相應的擊穿電壓較低（如圖1）。 原始的CA3000系列適應于±12V的電源電壓，但是HFA系列是專為±5V電源電壓設計的。集成電路可以承受最高約10V電壓。HFA系列更大的改進是PNP型BJT，它是介質絕緣的，而不是像CA3096（如圖2）那樣做成了橫向晶體管。 CA3096是一種多功能元件，具有三個NPN型BJT和兩個PNP型BJT。一個缺點是橫向PNP的fT僅為6 MHz左右（很難做出橫向BJT所要求的薄基層）。但是，對于很多電路來說，這一規格不是主要的障礙。 舉例，一個反饋放大器的準靜態增益是3，帶寬超過50 MHz（見圖3）。它具有兩條正向通道。慢通道經過PNP電流鏡，快通道通過差分放大器輸入段的Q2。它使用了全部5只陣列BJT。唯一的其它半導體元件是雪崩二極管Z1。 由于元件供應不穩定，你肯定不愿意讓這個電路設計成為某種新產品。此外，HFA元件沒有電壓范圍。如果某個IC系列具有和CA3000媲美的性能，而采用介質絕緣的PNP，它就會成為集成電路遺產中廣受歡迎的新成員。 圖注 3 這個反饋放大器的準靜態增益是3，帶寬超過50 MHz。它使用CA3096的全部5只陣列BJT。唯一的其它半導體元件是雪崩二極管Z1。 MC14500B工業控制單元 摩托羅拉生產的16引腳MC14500B是一款單比特1 MHz的互補金屬氧化物半導體（CMOS）處理器。它具有三個單比特寄存器（flops）和一個算術邏輯單元，可以執行16個指令。較新的微型控制器替代了MC14500B，但這不是重點。MC14500B是一個大的通用邏輯塊，它僅需要一個外部計數器做程序計數器（PC），以及一個PC驅動的程序存儲器。 數據存儲器也是輸入/輸出（I/O）存儲器。存儲器輸出中的4個位驅動MC14500B上的操作碼輸入端；其他位則用于8位雙向鎖存I/O尋址（MC14599B），以及8輸入多路復用器或數據選擇器（MC14512）。 單比特的累加器又稱為結果寄存器（RR）。指令包括：裝入RR、裝RR的補集、AND RR數據、補集數據和AND、OR、補集數據和OR、非NOR（同）、存儲并把有效的RR輸出存儲到補碼脈沖寫入線、把輸入數據轉到輸入寄存器或輸出寄存器、如果RR=0則跳過下一條指令、脈沖標志位O輸出或F輸出。另外兩條指令是無條件轉移指令（JMP）和返主指令（RTN），同樣輸出標志位脈沖。無條件轉移指令（JMP）可用于加載地址到PC。RTN指令輸出一個RTN標志位并跳過下一條指令。 內置振蕩器生成驅動PC的時鐘。時鐘的上升沿使PC遞增，而在其高電平時獲取指令。當時鐘處于低電平周期時，解碼并執行指令。 MC14500B使用位串行處理方式，而且屬于輸入/輸出（I/O）密集型，那么，MC14500B在當今有什么優勢呢？它需要使用額外的計數器、程序和數據存儲器，它將一直是過時的元件，因為它無法和較低成本的8到16引腳可編程閃存IC競爭，后者易于使用，有更加強大的功能。盡管MC14500B很有意思，但它需要太多的比特轉換，因此很難回歸生產。雖然MC14500B的系數給人們帶來啟發，但這款元件將一直被忘卻。 MC14549和MC14559逐次逼近寄存器 這些逐次逼近寄存器（SAR）曾是摩托羅拉4000系列互補金屬氧化物半導體（CMOS）數字集成電路中的元件。逐次逼近寄存器每個集成電路有8位，可以級聯以獲得更多位。它們用于構造逐次逼近模數轉換器(ADC)。逐次逼近寄存器內部是一個移位寄存器和一個并行加載寄存器。 盡管SAR很簡單，但卻是非常實用的數字功能。SA算法從一個區間的中位數開始，通過一種漸近的布爾比較而搜索這個區間。如果電壓較高，則設定最高有效位，并測試下一個位，直到確定了所有位。對n位的全部轉換要花n個時鐘周期，而與數字化值無關。 增加一個比較器以及用于驅動額外DAC的一到兩只SAR IC，就可以把一個簡單的模數轉換器(ADC)和其他剩余子元件一同加入系統。雖然就當今而言，這種集成程度屬于半分立型，但是對于很多具有多個數字模擬轉換器和多個比較器的應用而言（且需求是使用簡單的模數轉換器），這種設計仍然是可行的。 逐次逼近寄存器也可以用于自動量程設置，且所需的平均步驟數少于順序量程。同樣，在一只可變增益放大器（VGA）的大增益區間內使用一個SA搜索，就可以設定VGA的增益。位的權重可能不再使用二進制，而是使用十進制 或者1-2-5序列。但如果它是單調性，那么這種方案就適用。 MC4530雙重5輸入多數決定門 因一種較奇特的邏輯功能而集成化并且進入市場，這就是摩托羅拉銷售的雙重5輸入多數決定門。如果5路輸入中有3路或3路以上有效，那么輸出就有效。那些希望從現有邏輯元件中發現新奇用途的人可能會對這種元件感興趣。輸出處有來自一個W輸入的異或非（同等）門控，用于設置輸出的優先級。 它的用途是什么？這種元件用于一些不常見的應用，但可以誘導出一些創造性思維。在一個冗余系統中，如果五個或少于五個的子系統呈現一種狀態，則器件就會做出一種決定。比如，如果醫院重癥病房的生命體癥監控器顯示五個病人中有三個或三個以上出現了問題，則進入一個應急分診狀態。 增加一個比較器以及用于驅動額外DAC的一到兩只SAR IC，就可以把一個簡單的模數轉換器(ADC)和其他剩余子元件一同加入系統。 把一個高輸入和一個低輸入連接起來，三臺控制電腦中的兩臺就能決定輸出結果（航空飛機上就是如此）。另一種方式是，如果多組電容器采用異步充電，n組電容器中有m個輸出表示已經充滿，那么就有了足夠的電，點燃設備就被使能。此功能遵循平等主義；n個中的任何m個都可以觸發一個事件。通過使用反相輸入邏輯，如果一個靜態穩定的多腳機器人，其n只腳中有少于m只腳著地，那么就會觸發一個故障狀態。 把一個多數決定門的輸出端級聯到另一個多數決定門的輸入端，就能實現投票層級。前五個在后五個中產生一票。盡管這是一種比較實際的用途，但它仍然是不常見的邏輯功能。難怪這種電路被人們遺忘了。 作者介紹:丹尼斯.福伊赫特（Dennis Feucht）是Innovatia Laboratories的研發人員。（伯利茲，卡約） |
