Розбірка чипа фільтра із перемикаючими конденсаторами Harris з 1980-х

Ідентифікація хитрого чипа

Під час сортування старих IC CuriousMarc знайшов чипи Harris з маркуванням „F1-10-5“, які не знайшлося в жодному даташиті. Керамічний корпус легко відкривався долотом. Під мікроскопом видно сітку квадратних конденсаторів, що вказувало на фільтр із перемикаючими конденсаторами. Позначка „HF-10“ дала відповідь: це була версія Harris стандартного фільтра MF10, який National Semiconductor випустив у 1981 році. На корпусі був код дати 1985 року.

Усередині кристала

MF10 об’єднує на одному чіпі два гнучкі фільтри; кожен працює як фільтр низьких частот, смуговий фільтр або фільтр високих частот і керується кількома зовнішніми резисторами. Верхня і нижня половини кристала дзеркальні. У центрі червонуваті квадрати — 72 крихітні конденсатори з полікремнію, кожен ємністю приблизно 5 пікофарад. Вище розташовані ключі CMOS, які перемикаються з частотою тактового генератора. Кожен фільтр має три операційні підсилювачі та виходи фільтра високих частот, смугового фільтра і фільтра низьких частот. Схема керування контролює рівень тактового сигналу, формування, частотні коефіцієнти та запуск. Двадцять дротів товщиною з волосину з’єднують кристал із зовнішніми виводами. На кристалі також є логотип Harris, контур Флориди та ініціали розробників.

Як працюють фільтри на перемикаючих конденсаторах

Перемикаючий конденсатор у деяких схемах замінює резистор. Керовані тактовим сигналом перемикачі по черзі підключають конденсатор до вхідної наруги та передають заряд на виході. Схема поводиться як резистор з опором 1/(fC), тому більша ємність або частота означає менший опір. Резистори на чіпі неточні та великі, а конденсатори економлять місце та дають можливість регулювати частоту за допомогою тактового сигналу. Абсолютна ємність змінюється приблизно на 20% від чіпа до чіпа, але MF10 спирається на співвідношення ємностей. Деякі конденсатори окремі, деякі згруповані по 8, що забезпечує стабільне співвідношення 8:1.

Чіп також повертає наругу замість резистора; з чотирма перемикачами у фазі 2 верхня пластина заземлюється, що усуває паразитні ємності та підвищує точність. Фільтри використовують топологію state variable 1967 року; три операційні підсилювачі виконують сумування та два інтегрування, що дозволяє незалежно змінювати частоту, підсилення та Q. CMOS перемикачі поєднують NMOS та PMOS транзистори; MF10 оточує пари транзисторів ізолюючими кільцями та заземленим полікристалічним кремнієвим екраном для зменшення шуму тактового сигналу. Неперекриваючий тактовий генератор забороняє одночасне замикання обох перемикачів.

Harris та MF10 сьогодні

Harris почав у 1895 році як компанія з виробництва друкарських верстатів, у 1967 році він увійшов у бізнес інтегральних схем, придбавши Radiation, Inc., яка пізніше стала Harris Semiconductor. Harris у 1999 році виділив Intersil, який пізніше придбав Renesas; у 2019 році Harris об'єднався з L3 Technologies і став L3Harris. Фільтри на перемикаючих конденсаторах втратили популярність, тому що фільтрація перемістилася в цифрову сферу. Texas Instruments у 2011 році придбала National Semiconductor і включила MF10 до активних продуктів, хоча він дорогий і недоступний на складі, що вказує на припинення виробництва. Фільтри state variable знову використовуються в синтезаторах через гнучкість.

Джерела: Lobsters