Operationsforstærker

En operationsforstærker er en elektronisk enhed med feedback med det formål at gentagne gange øge signalforskellen mellem sine to indgange. Designet blev oprindeligt brugt af Bell Labs til at køre en anti-luftpistol inden for T9-systemet. Dermed navnet. På engelsk oversættes operativsystemet på to måder: operatør og samtidig succesfuld( arbejder, effektiv).Og effektiviteten af ​​T9-systemet i dag er uden tvivl.

Hvordan funktionsforstærker

blev oprettet Udviklingen af ​​elektroniske lamper

Historien begynder med det 20. århundredes fødsel( 1904), da Fleming forbedrede Edisons elektroniske lampe( se glødelampe), efter at have modtaget den første vakuumdiode. I detaljer blev patentet fra 1883 ikke det første omtale af termionisk emission. Et årti af den dato, der tidligere blev noteret, nævnte Frederic Guthrie allerede dette fænomen( se magnetisme og elektricitet, 1873).I 1906, takket være Lee De Forest, fremkom den første vakuumtriode - en enhed, som er strukturelt en del af de første operationelle forstærkere. Mellem det eksisterende filament( katode) og en positiv potentiel disk( anode) blev der tilføjet et gitter, signalet på hvilket aktivt påvirker passage af elektroner gennem rummet.

Differentialforstærkere og feedback

Et nyt skridt var udviklingen i Bell Labs teknologi af forstærkere med feedback, som fører direkte til patentet på US 2401779 Karl Schwartzel Jr., der blev erklæret 1. maj 1941.

I 1928 var tilbagemeldingen så udbredt i dag ikke kendt. Og da Bell Labs medarbejder Harold Black offentliggjorde patentet for første gang, viste det sig at være uden brug. Det tog så mange som 9 år( US patent 2.102.671) for at bringe opfindelsen til tankerne. Som det ofte sker med store opfindelser, arbejdede mange mennesker i forskellige dele af jorden på samme emne. Forskere indbefatter:

1. Paul Voight( UK patent 231792, 1924).
2. A.D. Blumlein( UK patent 425553, 1933).
3. Kendt firma N.V.Philips.

Da Black udviklede sin ide, forsøgte han at løse situationen med signal repeaters i kommunikationslinjer. En vakuumtriode gav en gevinst på maksimalt 1 dB udelukkende under gunstige forhold. Det krævede hundreder, tusinder, og dette band havde brug for energi og krævede opmærksomhed fra de ansatte. En forstærker med feedback er blevet en fantastisk opfindelse - gevinsten er steget mange gange og samtidig øget stabiliteten( Nyquist-kriterier).Selskabet Bell Labs spurgte bogstaveligt talt på den nævnte ide.

Udviklingen af ​​ideen om Black er patenterne US patent 1915440( Harry Nyquist) og US patent 2123178( Hendrick Bode).Nyquist kastede ideen om vakuumrørens arbejde med likestrøm, som igen udvide grænserne for anvendelighed af feedback. Parallelt var der udviklingen af ​​differentialforstærkere - arbejdssignalet for dem er forskellen mellem de to indgange. Udviklingsstadierne bemærkes:

• B.H.K. Matthews opfandt en differentialindgang for en forstærker i 1934.Ulempe: I kredsløbet med almindelige katoder er de direkte forbundet til strømkildens negative pol, som direkte reducerer forstærkningen.
• Alan Blumlein gik lidt længere i UK Patent 482470( 1936).Separerede fælles katoder fra jord modstanden.
• I 1937 introducerede Franklin Offner feedback i designet, hvilket reducerede gevinsten lidt, men øgede systemets stabilitet. I det ovennævnte år kom Otto Schmitt op om en ordning for pentoder, hvor denne mangel var fraværende.
• I 1938 introducerede JF Tonnis konceptet med et langhale differentialpar til vakuumrør. I dette tilfælde tilføjes en strømkilde mellem jorden og den fælles modstandsdygtighed mod resistens( i Tonnis - minus 90 V), som desuden reducerer potentialet i katoden.
• Otto Schmitt i 1938 diskuterer også langhale differentialparret, men allerede som en fase inverter( en indgang er jordet).
• Harold Goldberg i 1940 opfinder ordningen med støjdæmpende( ca. 2 μV) multi-trins differentialforstærker. Senere introducerer en pentode i kredsløbet for at tilvejebringe den ønskede biasstrøm.

Operationsforstærkere:

s første fugle

Fokuset på udviklingen af ​​operationsforstærkere i 30'erne var inden for analoge computerenheder. Lignende konstruktioner blev drøftet i slutningen af ​​30'erne og i 1940 af George Philbrick og Per Holst, der manglede det sidste trin - en stor gevinst. Brugen af ​​bipolær magt tillades at udarbejde mismatch signalerne i begge retninger for præcis målretning. M9-systemet fungerede som en betjeningsenhed i et computersystem, der beregner projektilens bane for at ramme luftmål.

Forsknings detaljer er beskrevet i Higgins 'Forsvarsforskning ved Bell Labs: Elektriske Computere til Brandbekæmpelse.

Således diskuterer Karl Schwartzel i 1941-patentet de første opamps. I dokumentationen kaldes opfindelsen summeringen. Oprindelsen af ​​navnet er trivielt. Opfinderen selv skriver, at enheden er designet til at tilføje det nte antal spændinger, og det er muligt at modificere eksisterende computere på lignende måde. Et træk ved nyheden var introduktionen af ​​feedback for at reducere systemets inputmodstand( hvilket vil forenkle koordinationen med andre dele af det elektriske kredsløb og øge forstærkningen).

Før summationen skete gradvis, havde den eneste spænding to poler, hvilket i høj grad komplicerede koordineringen. Dette patent omhandler en enhed, hvor alt er forenklet. Hver af de opsummerede spændinger ved en af ​​polerne erhverver en fælles ledning, og systemets transmissionskoefficient kan justeres ved at justere dybden af ​​tilbagemeldingen. Den eneste begrænsning er likestrømmen, som ikke altid er i stand til at overvinde vakuumet.

Udviklingen af ​​Bell Labs fører til oprettelsen af ​​en prototype af det syvende computersystem, kodet T10.Systemet( US patent nr. 2493183) blev testet i december 1941 og blev aktivt udviklet i fremtiden. Anvendelsesområdet for operationelle forstærkere i det er blevet udvidet betydeligt. Det skal bemærkes, at offentliggørelsen af ​​patentet Shvarttsel, der blev erklæret 1. maj 1941, først fandt sted efter slutningen af ​​Anden Verdenskrig( 1946).Så allierede fandt denne innovation vigtig. Desuden var specifikationen for styringssystemet selv praktisk taget i åben adgang( for fjendens agenter).

Spørgsmålet opstår: Hvorfor reverserer Shvartzel operationelle forstærker signalet? Vi tror - selv om det ikke er direkte angivet hvor som helst - at dette er gjort for piloternes bekvemmelighed. I luftfarten er det almindeligt at bruge flyets inversion i stigningsvinkel. Således ønskede designerne at forenkle det elektriske kredsløb og i fremtiden at anvende driftsforstærkere som en del af indbygget elektronik. Pitch vinkel inversion er vedtaget for at kompensere for pilotens fysiologiske egenskaber som en repræsentant for Homo Sapiens. Hvis du gør det modsatte, vil flyet falde til jorden ved lave højder. Dette blev diskuteret ved fysikens undervisning i middelklassen i gymnasiet.

Det næste spørgsmål: Hvorfor tilføjer Schwartzel operationsforstærker op til tre signaler ved indgangen? Vi mener, at svaret ligger inden for funktionelle begrænsninger af automatisering. Den oprindelige vejledning til målet udføres manuelt af operatøren, så giver det optiske system computeren en information, som forfinningen udføres på.Måske med en ledelse på målets hastighed og rækkevidde. Som følge heraf bør signalet fra styrehåndtaget opsummeres med senderens kommandoer. Den tredje indgang er nødvendig for tilbagemelding, hvilket vil give trunkens bevægelse den ønskede glathed og eliminere forskellige overskud.

Som følge heraf fik operationsforstærkeren løst opgaver og samtidig fået 95 dB( 65.000 gange) og havde en utrolig belastning på 6 kΩ( indgangen til en moderne højttaler er hundrede Ohm - til sammenligning).Og i april 1947 modtog de vigtigste designere af T9-styresystemet Lovell, Parkinson og Kun en medalje for tjenester til fosterlandet, der blev oprettet af præsidenten for anden verdenskrig( fra 8. september 1939) til 1952.Dette er den højeste pris for civile, der har bidraget til sejren over fjenden.

Sandsynligheden for at ramme T9-målet var 90%.Så tanken om eksistensen af ​​en sådan computer i lang tid afskrækket fjenden fra at angribe USA og allierede. Værktøjet blev straks erklæret det vigtigste middel til beskyttelse af frihed og demokrati i verden.

Udvikling af operationsforstærkere

Yderligere arbejde inden for udvikling af operationelle forstærkere flyttet( 1947) til Columbia University i New York. Aktiviteter blev overvåget og ledet af professor John Ragazzini. I løbet af udviklingen blev der fundet en ordning med to trioder( der var tre før dem), men af ​​forståelige grunde er der lidt information om designet til i dag. Forfatteren hedder Julie Loeb. Kredsløbet er steget flere gange og udgjorde 300 kΩ.

Det er i Julie Loebs plan, at to indgange vises i stedet for en inverterende: inverterende og ikke inverterende. Det er stadig muligt at tilføje stress på hver. Denne kvalitet bruges i dag - ingen nye blev opfundet. Differentialetilgangen kompenserer for støjdriften, men de forbliver store, hvis der skal forstærkes sub-millivoltsignaler. Indfør en fejl i termisk afgang af driftspunktet og de langsigtede udsving. Vanskeligheden løses ved brug af en chopper( skærer spændingen til højfrekvente pulser).Ordning foreslået i 1949 af Edwin Goldberg.

Drift reduceres ved hjælp af chopperoverførselsforhold. En sidefordel er muligheden for at bruge lave frekvenser, herunder konstant spænding. På grund af tilstedeværelsen af ​​feedback kan chopper give en gevinst på op til 100 dB, og i alt giver Goldberg-kredsløbet 163( 150.000.000 gange).Nyheden havde flere begrænsninger:

1. De første ordninger med choppers fungerede kun i omvendt tilstand. Gennemførelsen af ​​den sædvanlige krævede optagelse i ordningen for mange kaskader.
2. På tidspunktet for 1949 var der ingen koncept af strømafbrydere. Skæringen blev udført med mekaniske indretninger. Situationen er allerede løst i halvlederteknologi, og i dag omfatter hver strømforsyning en chopper på en tyristor( triac).

Halvledere i

operationsforstærkere I anden halvdel af 40'erne viste bipolære og felt-effekt transistorer sig på scenen, og i 1958 opfandt Jack Kilby fra Texas Instruments integrerede kredsløb. Den platte proces med montering på en krystal af forskellige konfigurationer har revolutioneret feltet af operationsforstærkere. Som et resultat giver begyndelsen af ​​60'erne nye enheder med strømforsyning i størrelsesordenen 10-15 V i stedet for 350, som eksisterede før. De første integrerede kredsløb viste sig at være klodset og repræsenterede et lille bord med monterede elementer( og transistorer) oversvømmet med forbindelse. Lidt gevinst, belastning modstand nåede næsten 500 ohm.

Men udstyret stod ikke stille. For eksempel gjorde varactorbroen det muligt at forstærke meget små DC-signaler til en stor værdi. Hvad gjorde det muligt at kontrollere forskellige mekanismer direkte. I dag er de fleste operationelle forstærkere halvlederkrystaller med aktive og passive elementer dannet på dem.