Operationsverstärker

Ein Operationsverstärker ist ein elektronisches Gerät mit Feedback, das die Signaldifferenz zwischen seinen beiden Eingängen wiederholt erhöht. Anfangs wurde das Design von Bell Labs verwendet, um ein Flugabwehrgeschütz innerhalb des T9-Systems anzutreiben. Daher der Name. Operativ wird auf Englisch auf zwei Arten übersetzt: Operator und gleichzeitig erfolgreich( arbeiten, effektiv).Und die Wirksamkeit des heutigen T9-Systems steht außer Zweifel.

Wie der Operationsverstärker

entstand Die Entwicklung elektronischer Lampen

Die Geschichte beginnt mit der Geburt des zwanzigsten Jahrhunderts( 1904), als Fleming die elektronische Lampe von Edison( siehe Glühlampe) verbesserte, nachdem er die erste Vakuumdiode erhalten hatte. Im Einzelnen wurde das Patent von 1883 nicht die erste Erwähnung thermionischer Emission. Ein Jahrzehnt des zuvor genannten Datums erwähnte Frederic Guthrie dieses Phänomen bereits( siehe Magnetismus und Elektrizität, 1873).Im Jahr 1906 erschien dank Lee De Forest die erste Vakuumtriode - ein Gerät, das strukturell zu den ersten Operationsverstärkern gehört. Zwischen der vorhandenen Wendel( Kathode) und einer Scheibe mit positivem Potential( Anode) wurde ein Gitter hinzugefügt, dessen Signal den Durchgang von Elektronen durch den Raum aktiv beeinflusste.

Differenzverstärker und Rückkopplung

Ein neuer Schritt war die Entwicklung der Bell Labs-Technologie in den frühen 30er Jahren, bei der Rückkopplungsverstärker mit Rückkopplung direkt zum Patent der US-Patentschrift 2401779( 1. April 1941) führten.

1928 war das heute so weit verbreitete Feedback nicht bekannt. Als Harold Black, Mitarbeiter von Bell Labs, das Patent zum ersten Mal einreichte, erwies es sich als wenig nützlich. Es dauerte bis zu neun Jahre( US-Patent 2,102,671), um an die Erfindung zu denken. Wie so oft bei großen Erfindungen, arbeiteten viele Menschen in verschiedenen Teilen der Erde an demselben Thema. Wissenschaftler schließen ein:

1. Paul Voight( UK-Patent 231792, 1924).
2. A. D. Blumlein( UK-Patent 425553, 1933).
3. Bekannte Firma N.V.Philips.

Als Black seine Idee entwickelte, versuchte er die Situation mit Signalwiederholern in Kommunikationsleitungen zu lösen. Eine Vakuumtriode ergab eine Verstärkung von maximal 1 dB ausschließlich unter günstigen Bedingungen. Es brauchte Hunderte, Tausende, und diese Band brauchte Energie und forderte die Aufmerksamkeit der Teilnehmer. Ein Verstärker mit Feedback ist zu einer erstaunlichen Erfindung geworden - die Verstärkung hat sich um ein Vielfaches erhöht und gleichzeitig die Stabilität erhöht( Nyquist-Kriterien).Die Firma Bell Labs hat die Idee buchstäblich verärgert.

Die Entwicklung der Idee von Black sind die Patente US Patent 1915440( Harry Nyquist) und US Patent 2123178( Hendrick Bode).Nyquist warf die Idee der Arbeit von Vakuumröhren mit Gleichstrom auf, was wiederum die Grenzen der Anwendbarkeit von Rückkopplungen erweitert. Parallel dazu wurden Differenzverstärker entwickelt - das Arbeitssignal für sie ist der Unterschied zwischen den beiden Eingängen. Die Entwicklungsstufen sind angegeben:

• B.H.K. Matthews erfand 1934 einen Differenzeingang für einen Verstärker. Nachteil: In der Schaltung mit gemeinsamen Kathoden sind sie direkt mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden, wodurch die Verstärkung direkt reduziert wird.
• Alan Blumlein ging im britischen Patent 482470( 1936) ein wenig weiter. Getrennte gemeinsame Kathoden vom Erdungswiderstand.
• Im Jahr 1937 führte Franklin Offner Feedback in das Design ein, das die Verstärkung etwas reduzierte, jedoch die Stabilität des Systems erhöhte. Im vorgenannten Jahr hat Otto Schmitt eine Regelung für Pentoden entwickelt, bei der dieser Mangel nicht vorhanden war.
• Im Jahr 1938 führte JF Tonnis das Konzept eines Differentialpaares mit langen Leitern für Vakuumröhren ein. In diesem Fall wird zwischen der Masse und dem gemeinsamen hochohmigen Widerstand( in Tonnis - minus 90 V) eine Stromquelle hinzugefügt, die das Potenzial der Kathode zusätzlich verringert.
• Otto Schmitt aus dem Jahr 1938 diskutiert auch das Long-Tail-Differentialpaar, jedoch bereits als Phasenwechselrichter( ein Eingang ist geerdet).
• Harold Goldberg erfindet 1940 das Schema eines rauscharmen( etwa 2 µV) mehrstufigen Differenzverstärkers. Später führt ein Pentode in die Schaltung ein, um den gewünschten Vorspannungsstrom bereitzustellen.

Operationsverstärker: Die ersten Birdies des

Der Schwerpunkt der Entwicklung von Operationsverstärkern in den 30er Jahren lag im Bereich der analogen Rechengeräte.Ähnliche Konstruktionen wurden in den späten 30er Jahren und 1940 von George Philbrick und Per Holst diskutiert, wobei der letzte Schritt fehlte - ein großer Gewinn. Die Verwendung der bipolaren Leistung ermöglichte es, die Fehlanpassungssignale in beide Richtungen für ein genaues Zielen herauszufinden. Das M9-System diente als Bedieneinheit eines Computersystems, das die Flugbahn der Geschosse berechnet, um Luftziele zu treffen.

-Forschungsdetails werden in Higgins 'Defence Research bei Bell Labs: Electrical Computers for Fire Control beschrieben.

So diskutiert Karl Schwartzel im Patent von 1941 die ersten Opamps. In der Dokumentation wird die Erfindung Summieren genannt. Der Ursprung des Namens ist unbedeutend. Der Erfinder schreibt selbst, dass das Gerät so ausgelegt ist, dass es die n-te Anzahl von Spannungen hinzufügt und dass es in ähnlicher Weise möglich ist, vorhandene Computer zu modifizieren. Ein Merkmal der Neuheit war die Einführung von Rückkopplungen, um den Eingangswiderstand des Systems zu reduzieren( was die Koordination mit anderen Teilen des elektrischen Schaltkreises vereinfacht und die Verstärkung erhöht).

Bevor die Summation allmählich erfolgte, hatte die einzige Spannung zwei Pole, was die Koordination stark kompliziert. Dieses Patent befasst sich mit einem Gerät, bei dem alles vereinfacht wird. Jede der summierten Spannungen an einem der Pole erhält einen gemeinsamen Draht, und der Übertragungskoeffizient des Systems kann durch Einstellen der Tiefe der Rückkopplung eingestellt werden. Die einzige Einschränkung ist der Gleichstrom, der das Vakuum nicht immer überwinden kann.

Die Entwicklung von Bell Labs führt zur Schaffung eines Prototyps des Zielcomputersystems mit dem Codenamen T10.Das System( US-Patent 2493183) wurde im Dezember 1941 erfolgreich getestet und in der Zukunft aktiv entwickelt. Der Einsatzbereich von Operationsverstärkern wurde dabei deutlich erweitert. Es sei darauf hingewiesen, dass die Veröffentlichung des am 1. Mai 1941 erklärten Patents Shvarttsel erst nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs( 1946) erfolgte. Die Alliierten hielten diese Innovation für wichtig. Darüber hinaus war die Spezifikation für das Leitsystem selbst praktisch zugänglich( für feindliche Agenten).

Es stellt sich die Frage: Warum kehrt der Shvartzel-Operationsverstärker das Signal um? Wir glauben, obwohl es nirgendwo direkt angegeben ist, dass dies für die Piloten der Fall ist. In der Luftfahrt ist es üblich, die Umkehrung des Flugzeugs im Nickwinkel zu verwenden. Daher wollten die Entwickler die elektrische Schaltung vereinfachen und zukünftig Operationsverstärker als Teil der Bordelektronik verwenden. Die Neigung des Neigungswinkels wird verwendet, um die physiologischen Eigenschaften des Piloten als Vertreter des Homo Sapiens zu kompensieren. Wenn Sie in niedrigen Höhen das Gegenteil tun, wird das Flugzeug zu Boden fallen. Dies wurde im Physikunterricht in den Mittelklassen der Sekundarschulen diskutiert.

Die nächste Frage: Warum addiert der Schwartzel-Operationsverstärker am Eingang bis zu drei Signale? Wir glauben, dass die Antwort im Bereich der funktionalen Einschränkungen der Automatisierung liegt. Die anfängliche Führung zum Ziel erfolgt manuell durch den Bediener. Das optische System liefert dann an die Rechenvorrichtung Informationen, über welche die Verfeinerung durchgeführt wird. Vielleicht mit einem Vorsprung auf Geschwindigkeit und Reichweite des Ziels. Daher sollte das Signal vom Steuerhebel mit den Befehlen des Senders summiert werden. Die dritte Eingabe wird für die Rückmeldung benötigt, die der Bewegung des Rumpfes die gewünschte Laufruhe verleiht und verschiedene Überschüsse beseitigt.

Als Ergebnis löste der Operationsverstärker Aufgaben und gewann gleichzeitig um 95 dB( 65.000-fach) und eine unglaubliche Last von 6 kΩ( der Eingang eines modernen Lautsprechers ist zum Vergleich 100 Ohm).Im April 1947 erhielten die Hauptdesigner des T9-Leitsystems, Lovell, Parkinson und Kun, eine Medaille für die Verdienste um das Vaterland, die vom Präsidenten für die Zeit des Zweiten Weltkriegs( vom 8. September 1939) bis einschließlich 1952 festgelegt wurde. Dies ist die höchste Auszeichnung für Zivilisten, die zum Sieg über den Feind beigetragen haben.

Die Wahrscheinlichkeit, das T9-Ziel zu erreichen, betrug 90%.Der Gedanke an die Existenz eines solchen Computers hielt den Feind also lange Zeit davon ab, die Vereinigten Staaten und ihre Verbündeten anzugreifen. Das Instrument wurde sofort zum wichtigsten Mittel zum Schutz von Freiheit und Demokratie in der Welt erklärt.

Entwicklung von Operationsverstärkern

Weitere Arbeiten auf dem Gebiet der Entwicklung von Operationsverstärkern wurden an die Columbia University in New York übertragen( 1947).Die Aktivitäten wurden von Professor John Ragazzini überwacht und geleitet. Im Laufe der Entwicklung wurde ein Schema von zwei Trioden gefunden( es waren drei vor ihnen), aber aus verständlichen Gründen gibt es bis heute wenig Informationen über das Design. Der Autor heißt Julie Loeb. Die Belastung der Schaltung hat sich um ein Vielfaches erhöht und betrug 300 kΩ.

Im Schema von Julie Loeb erscheinen zwei Eingänge anstelle eines invertierenden: invertierend und nicht invertierend. Es ist immer noch möglich, Stress für jeden hinzuzufügen. Diese Qualität wird heute verwendet - keine neue wurde erfunden. Der Differenzeingang kompensiert die Rauschdrift, bleibt jedoch groß, wenn Sub-Millivolt-Signale verstärkt werden müssen. Führen Sie einen Fehler in der thermischen Abweichung des Betriebspunkts und Langzeitschwankungen ein. Die Schwierigkeit wird mit einem Zerhacker gelöst, der die Spannung in hochfrequente Impulse zerlegt.1949 von Edwin Goldberg vorgeschlagenes Schema.

Drift wird durch das Chopper-Übertragungsverhältnis reduziert. Ein Nebenvorteil ist die Möglichkeit der Verwendung niedriger Frequenzen einschließlich konstanter Spannung. Durch das Vorhandensein von Rückkopplungen kann der Chopper einen Gewinn von bis zu 100 dB erzielen, und insgesamt bietet das Goldberg-System 163( 150.000.000).Die Neuheit hatte mehrere Einschränkungen:

1. Die ersten Schemata mit Chopper funktionierten nur im invertierenden Modus. Die Umsetzung der üblichen geforderten Einbeziehung in das System zu viele Kaskaden.
2. Zum Zeitpunkt des Jahres 1949 gab es kein Konzept von Leistungsschaltern. Das Schneiden erfolgte mit mechanischen Vorrichtungen. In der Halbleitertechnologie ist die Situation bereits gelöst, und heute enthält jedes Schaltnetzteil einen Chopper an einem Thyristor( Triac).

Halbleiter in Operationsverstärkern

In der zweiten Hälfte der 40er Jahre traten bipolare und Feldeffekttransistoren auf, und 1958 erfand Jack Kilby von Texas Instruments integrierte Schaltungen. Der planare Prozess der Montage auf einem Kristall verschiedener Konfigurationen hat das Gebiet der Operationsverstärker revolutioniert. Infolgedessen gibt es zu Beginn der 60er Jahre neue Geräte mit einer Stromversorgung in der Größenordnung von 10-15 V anstelle von 350, die zuvor existierten. Die ersten integrierten Schaltungen erwiesen sich als unbeholfen und repräsentierten eine kleine Platine mit montierten Elementen( und Transistoren), die mit Compound überflutet waren. Betroffene Verstärkung, Lastwiderstand erreichte kaum 500 Ohm.

Aber das Gerät stand nicht still. Beispielsweise ermöglichte die Varaktorbrücke die Verstärkung sehr kleiner DC-Signale auf einen großen Wert. Was ermöglichte die direkte Steuerung verschiedener Mechanismen. Die meisten Operationsverstärker sind heutzutage Halbleiterkristalle mit darauf gebildeten aktiven und passiven Elementen.