Operační zesilovač

Operační zesilovač je elektronické zařízení se zpětnou vazbou s úkolem opakovaného zvyšování rozdílu signálu mezi dvěma vstupy. Zpočátku byl návrh používán firmou Bell Labs k pohonu protiletadlové zbraně v systému T9.Jméno tedy. V angličtině je provozní překlad překládán dvěma způsoby: provozovatelem a současně úspěšným( pracující, efektivní).A účinnost systému T9 dnes není pochyb.

Jak byl vytvořen operační zesilovač

Vývoj elektronických výbojek

Příběh začíná narozením dvacátého století( 1904), kdy Fleming zdokonalila elektronickou lampu Edison( viz incandescentní žárovka), když přijala první vakuovou diodu. Podrobně se patent z roku 1883 nestal první zmínkou o termionické emisi. Dekáda již zmíněného data, Frederic Guthrie již tento fenomén zmínil( viz Magnetism and Electricity, 1873).V roce 1906 se díky Lee De Forest objevila první vakuová trioda - zařízení, které je strukturálně součástí prvních operačních zesilovačů.Mezi existujícím vláknem( katodou) a pozitivním potenciálním diskem( anodou) byla přidána mřížka, na níž signál aktivně ovlivňoval průchod elektronů prostorem.

Diferenční zesilovače a zpětná vazba

Nový krok byl vývoj technologie Bell Labs zesilovačů s zpětnou vazbou, který vede přímo k patentu US 2401779 Karl Schwartzel Jr., deklarovaného 1. května 1941.

V roce 1928 nebyla známá takzvaná zpětná vazba dnes známá.A když zaměstnanec společnosti Bell Labs Harold Black zveřejnil patent poprvé, ukázalo se, že je málo užitečné.Trvalo 9 let( US patent 2 102 671), aby vynález uvedl do paměti. Jak se často děje s velkými vynálezy, mnoho lidí v různých částech Země pracovalo na stejném předmětu. Mezi vědce patří:

1. Paul Voight( britský patent 231792, 1924).
2. A.D. Blumlein( britský patent 425553, 1933).
3. Známé společnosti N.V.Philips.

Když Black vyvinul svůj nápad, pokusil se vyřešit situaci se signálními zesilovači v komunikačních linkách. Jedna vakuová trioda poskytla zisk maximálně 1 dB výhradně za výhodných podmínek. Vyžadovalo to stovky a tisíce a tato kapela potřebovala energii a požadovala pozornost obsluhy. Zesilovač se zpětnou vazbou se stal ohromujícím vynálezem - zisk se mnohokrát zvýšil a současně zvýšil stabilitu( kritéria Nyquist).Společnost Bell Labs doslova navázala na tuto myšlenku.

Vývoj myšlenky Black je patenty US 1915440( Harry Nyquist) a US patent 2123178( Hendrick Bode).Nyquist hodil myšlenku na práci vakuových trubek stejnosměrným proudem, což opět rozšířilo limity použitelnosti zpětné vazby. Souběžně došlo k vývoji diferenciálních zesilovačů - jejich pracovním signálem je rozdíl mezi oběma vstupy. Stadia vývoje jsou zaznamenány:

• B.H.K. Matthews vynalezl diferenciální vstup pro zesilovač v roce 1934.Nevýhoda: v obvodu se společnými katodami jsou přímo připojeny k zápornému pólu zdroje energie, což přímo snižuje zisk.
• Alan Blumlein šel trochu dále v britském patentu 482470( 1936).Oddělené společné katody od zemního odporu.
• V roce 1937 uvedl Franklin Offner zpětnou vazbu do návrhu, který mírně snížil zisk, ale zvýšil stabilitu systému. V předchozím roce přišel Otto Schmitt schéma pentodů, kde tento nedostatek chyběl.
• V roce 1938 představil JF Tonnis koncept dlouhého páru diferenciálních párů pro vakuové trubice. V tomto případě se mezi zem a společný odpor vysokého odporu( v Tonnis - minus 90 V) přidává zdroj energie, který dále snižuje potenciál katody.
• Otto Schmitt v roce 1938 také diskutuje o dlouhém konci diferenciálního páru, ale již jako fázový měnič( jeden vstup je uzemněn).
• Harold Goldberg v roce 1940 vyvine schéma multifázového diferenciálního zesilovače s nízkým šumem( asi 2 μV).Později zavede pentod do obvodu, aby poskytl požadovaný zkreslený proud. Operační zesilovače

: První birdy

Zaměření vývoje operačních zesilovačů ve 30. letech bylo v oblasti analogových výpočetních zařízení.Podobné stavby byly diskutovány koncem 30. let a v roce 1940 George Philbrick a Per Holst, postrádající poslední krok - velký zisk. Použití bipolární síly umožnilo zpracovat signály nesouladu v obou směrech pro přesné zaměření.Systém M9 sloužil jako operační jednotka počítačového systému, který vypočítal trajektorii projektilů k dosažení vzdušných cílů.

Výzkumné detaily jsou popsány v Higginsově obranném výzkumu v laboratořích Bell Labs: Elektrické počítače pro kontrolu požáru.

Takže Karl Schwartzel v patentu z roku 1941 projednává první opamps. V dokumentaci se vynález nazývá shrnutí.Původ názvu je triviální.Původní vynálezce píše, že zařízení je navrženo pro přidání n-tého počtu napětí a podobným způsobem je možné modifikovat existující počítače. Funktem novinky bylo zavedení zpětné vazby ke snížení vstupního odporu systému( což zjednoduší jeho koordinaci s ostatními částmi elektrického obvodu a zvýší zisk).

Předtím, než se sumarizace objevila postupně, jediné napětí mělo dva póly, což značně komplikovalo koordinaci. Tento patent se zabývá zařízením, ve kterém je vše zjednodušené.Každé ze součtových napětí na jednom z pólu získává společný drát a koeficient přenosu systému lze nastavit nastavením hloubky zpětné vazby. Jediným omezením je stejnosměrný proud, který není vždy schopen překonat podtlak.

Vývoj Bell Labs vede k vytvoření prototypu cílového počítačového systému s kódovým označením T10.Systém( US patent 2493183) byl úspěšně testován v prosinci 1941 a byl aktivně vyvinut v budoucnu. Rozsah použití operačních zesilovačů byl výrazně rozšířen. Je třeba poznamenat, že publikace patentu Shvarttsel, prohlášeného 1. května 1941, nastala až po skončení druhé světové války( 1946).Takže spojenci považovali tuto inovaci za důležitou. Navíc specifikace samotného naváděcího systému byla prakticky v otevřeném přístupu( pro agenty nepřátel).

Vyvstává otázka: proč operační zesilovač Shvartzel zvrátil signál? Domníváme se - ačkoli to není nikde přímo uvedeno - že je to pro pohodlí pilotů.V letectví je obvyklé používat inverzi letadla v úhlu rozteče. Návrháři tak chtěli zjednodušit elektrický obvod a v budoucnu využít operační zesilovače jako součást palubní elektroniky. Inverze úhlu natočení je přijata, aby kompenzovala fyziologické vlastnosti pilota jako zástupce Homo Sapiens. Pokud uděláte opak, v nízkých nadmořských výšinách bude letadlo spadnout na zem. Toto bylo projednáno na hodinách fyziky ve středních třídách středních škol.

Další otázka: proč operační zesilovač Schwartzel přidává až tři signály na vstupu? Věříme, že odpověď spočívá v oblasti funkčních omezení automatizace. Počáteční návod k cíli je prováděn ručně operátorem, pak optický systém poskytuje výpočetnímu zařízení informace, na kterých se provádí zpřesňování.Snad s vedením na rychlosti a dosahu cíle. Výsledkem je, že signál z ovládací rukojeti by měl být shrnován příkazy vysílače. Třetí vstup je zapotřebí pro zpětnou vazbu, která dá pohyb trupu požadovanou hladkost a eliminuje různé excesy.

V důsledku toho operační zesilovač vyřešil úkoly a současně získal 95 dB( 65 000 krát) a nesl neuvěřitelné zatížení 6 kΩ( vstup moderního reproduktoru je sto Ohm - pro srovnání).A v dubnu 1947 obdrželi hlavní návrháři systému vedení T9, Lovell, Parkinson a Kun medaili za služby vlasti, kterou založil prezident na období druhé světové války( od 8. září 1939) do roku 1952 včetně.Toto je nejvyšší ocenění pro civilisty, kteří přispěli k vítězství nad nepřítelem.

Pravděpodobnost zasažení cíle T9 bylo 90%.Takže myšlenka na existenci takového počítače dlouho odradila nepřítele od útoku na Spojené státy a spojence. Nástroj byl okamžitě prohlášen za nejdůležitější prostředek ochrany svobody a demokracie ve světě.

Vývoj operačních zesilovačů

Další práce v oblasti vývoje operačních zesilovačů se přesunula( 1947) na Columbijskou univerzitu v New Yorku.Činnosti sledoval a řídil profesor John Ragazzini. V průběhu vývoje byla nalezena schéma dvou triod( před nimi byly tři), ale z pochopitelných důvodů existuje jen málo informací o designu dodnes. Autorka se jmenuje Julie Loebová.Zatížení obvodu se několikrát zvýšilo a dosáhlo 300 kΩ.

Je v schématu Julie Loeb, že dva vstupy se objevují místo jedné inverze: obrácené a ne invertované.Stále je možné přidat každému stres. Tato kvalita je dnes používána - žádná nová nebyla vynalezena. Diferenciální vstup kompenzuje odchylku šumu, avšak v případě potřeby zesilovat signály pod milivolt, zůstávají velké.Zavést chybu v termickém odchodu operačního bodu a dlouhodobých výkyvů.Obtíž je řešena pomocí sekačky( řezání napětí do vysokofrekvenčních pulsů).Schéma navrhované v roce 1949 Edwinem Goldbergem.

Drift je redukován převodovým poměrem vrtulníku. Boční výhodou je možnost použití nízkých frekvencí včetně konstantního napětí.Vzhledem k přítomnosti zpětné vazby může helikoptéra získat zisk až do 100 dB a celkový okruh Goldberg poskytuje 163( 150 000 000 krát).Novinka měla několik omezení:

1. První schémata s choppery pracovaly pouze v obrácené módě.Provedení obvyklého požadovaného zařazení do schématu příliš mnoho kaskád.
2. V době 1949 neexistovala koncepce vypínačů.Řezání bylo prováděno mechanickými zařízeními. Situace byla již řešena v polovodičové technologii a dnes každý spínací zdroj obsahuje sekací stroj na tyristoru( triak).

Polovodiče v operačních zesilovačích

Ve druhé polovině 40. let se na scéně objevily bipolární a tranzistorové pole s efektem pole a v roce 1958 vynalezl Jack Kilby z Texas Instruments integrované obvody. Plošný proces montáže na krystal různých konfigurací způsobil revoluci v oblasti operačních zesilovačů.Jako výsledek, začátek 60. let dává nové zařízení s napájecím zdrojem řady 10-15 V místo 350, které existovaly dříve. První integrované obvody se ukázaly jako nemotorné a představovaly malou desku s namontovanými prvky( a tranzistory) zaplavenými složením. Zhoršený zisk, odolnost proti zatížení sotva dosáhla 500 ohmů.

Ale zařízení nezastavilo. Například varactor bridge umožnil zesílení velmi malých DC signálů na velkou hodnotu. Co umožnilo přímo ovládat různé mechanismy. Dnes je většina operačních zesilovačů polovodičovými krystaly s aktivními a pasivními prvky vytvořenými na nich.