Operatsioonivõimendi

Operatsioonivõimendi on elektrooniline seade, millel on tagasiside ja mille ülesandeks on korduvalt suurendada nende kahe sisendi signaali vahe. Esialgu kasutas Bell Labs disainilahendust lennukitõrje relva juhtimiseks T9 süsteemis. Seega nimi. Inglise keeles tõlgitakse operatsioon kahel viisil: operaator ja samal ajal edukas( töö, tõhus).Ja tänapäeval on T9 süsteemi tõhusus kahtlemata.

Kuidas operatsioonivõimendi

loodi Elektrooniliste lampide arendamine

Lugu algab kahekümnenda sajandi sünnist( 1904), kui Fleming parandas Edisoni elektroonilist lampi( vt hõõglamp), olles saanud esimese vaakumdioodi.Üksikasjalikult ei saanud 1883.Kümme aastat varem mainitud kuupäevast mainis Frederic Guthrie juba seda nähtust( vt Magnetism and Electricity, 1873).Aastal 1906, tänu Lee De Forestile ilmus esimene vaakumtriod - seade, mis on struktuurselt osa esimestest operatsioonivõimenditest. Olemasoleva hõõgniidi( katoodi) ja positiivse potentsiaalse ketta( anood) vahel lisati võrk, mille signaal mõjutas aktiivselt elektronide läbipääsu ruumi kaudu.

diferentsiaalvõimendid ja tagasiside

Uus samm oli Bell Labsi võimendite tehnoloogia arendamine tagasisidega, mis viib otse US 2401779 Karl Schwartzel Jr.

1928. aastal ei olnud nii levinud tagasiside teada. Kui Bell Labsi töötaja Harold Black postitas patendi esimest korda, osutus see vähe kasulikuks. Leiutise meeles pidamiseks kulus 9 aastat( USA patent 2 102 671).Nagu tihti juhtub suurte leiutiste puhul, töötasid paljud inimesed erinevates Maa osades samal teemal. Teadlased on järgmised:

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

Kui Black töötas välja oma idee, püüdis ta lahendada oleku signaali kordajatega sidevahendites.Ühe vaakumtriodi abil saavutati maksimaalselt 1 dB võimendus ainult soodsates tingimustes. See vajas sadu, tuhandeid ja see bänd vajas energiat ja nõudis saatjate tähelepanu. Tagasisidega võimendi on muutunud uimastavaks leiutiseks - võimendus on korduvalt suurenenud, suurendades samal ajal stabiilsust( Nyquisti kriteeriumid).Ettevõte Bell Labs sõna otseses mõttes ebaõnnestus.

Musta idee väljatöötamine on patendid USA patent 1915440( Harry Nyquist) ja USA patent 2123178( Hendrick Bode).Nyquist viskas vaakumtorude töö alalisvooluga, mis taas laiendas tagasisidet. Paralleelselt tekkisid diferentsiaalvõimendid - nende töö signaal on kahe sisendi erinevus. Täheldatakse arenguetappe:

• B.H.K. Matthews leiutas võimendi jaoks diferentseeritud sisendi 1934. aastal. Puudus: tavaliste katoodidega vooluringis on need otseselt ühendatud toiteallika negatiivse poolega, mis vähendab otseselt võimendust.
• Alan Blumlein läks veidi kaugemale Ühendkuningriigi patendis 482470( 1936).Eraldatud tavalised katoodid maandustakistist.
• 1937. aastal tutvustas Franklin Offner disainilahendusele tagasisidet, mis vähesel määral võimendust vähendas, kuid suurendas süsteemi stabiilsust. Eespool nimetatud aastal esitas Otto Schmitt skeem pentoodidele, kus puudus puudus.
• 1938. aastal tutvustas JF Tonnis vaakumtorude pika saba diferentsiaalpaari kontseptsiooni. Sel juhul lisatakse maapinna ja ühise kõrge resistentsusega takisti vahele( Tonnis - miinus 90 V) toiteallikas, mis vähendab ka katoodi potentsiaali.
• Otto Schmitt arutab 1938. aastal ka pika saba diferentsiaalpaari, kuid juba faasi inverterina( üks sisend on maandatud).
• Harold Goldberg tutvustab 1940. aastal madala müratasemega( umbes 2 µV) mitmeastmelise diferentsiaalvõimendi skeemi. Hiljem sisestatakse lülitisse pentood, et saada soovitud kallutusvool.

operatsioonivõimendid: esimesed linnud

30-ndatel aastatel oli operatsioonivõimendite arendamise fookus analoogarvutite valdkonnas. Samasuguseid konstruktsioone arutati 30ndate lõpus ja 1940. aastal George Philbricki ja Per Holsti poolt, ilma et viimane samm oleks - suur kasu. Bipolaarse võimsuse kasutamine võimaldas töötada välja sobimatussignaalid mõlemas suunas, et saavutada täpset sihtimist. M9 süsteem toimis arvutisüsteemi operatiivüksusena, mis arvutab lendude trajektoori õhu sihtmärkide saavutamiseks.

uuringu üksikasjad on kirjeldatud Higgins 'kaitsealases uuringus Bell Labs'is: elektrilised arvutid tulekahju juhtimiseks.

Niisiis, Karl Schwartzel 1941. aasta patendis arutab esimesi opampse. Dokumentatsioonis nimetatakse leiutist summeerimiseks. Nime päritolu on triviaalne. Leiutaja ise kirjutab, et seade on kavandatud lisama n-nda pinge arvu ja see on võimalik sarnaselt olemasolevate arvutite muutmisega. Uuenduse tunnuseks oli tagasiside sisseviimine süsteemi sisendresistentsuse vähendamiseks( mis lihtsustab selle koordineerimist teiste elektriskeemi osadega ja suurendab võimendust).

Enne summeerimist toimus järk-järgult ainus pinge, mis raskendas koordineerimist oluliselt. See patent käsitleb seadet, kus kõik on lihtsustatud. Iga ühe pinge summeeritud pinge omandab ühise traadi ja süsteemi ülekandetegurit saab reguleerida tagasiside sügavuse reguleerimise teel. Ainus piirang on alalisvool, mis ei suuda alati vaakumist üle saada.

Bell Labsi arendamise tulemusel luuakse kodeeritud T10 nimega arvutisüsteemi prototüüp. Süsteem( USA patent 2493183) testiti edukalt detsembris 1941 ja seda arendati aktiivselt tulevikus. Operatsioonivõimendite kasutusvõimalusi selles on oluliselt laiendatud. Tuleb märkida, et patendi Shvarttseli avaldamine, mis kuulutati välja 1. mail 1941, toimus alles pärast Teise maailmasõja lõppu( 1946).Nii pidasid liitlased seda innovatsiooni oluliseks. Lisaks oli juhendisüsteemi spetsifikatsioon ise praktiliselt avatud( vaenlase esindajatele).

Tekib küsimus: miks Shvartzel'i operatsioonivõimendi signaali ümber lülitab? Me usume - kuigi seda ei ole otseselt kuskil öeldud -, et see tehakse pilootide mugavuse huvides. Lennunduses on tavapärane kasutada õhusõiduki ümberpööramist pigi nurga all. Seega soovisid disainerid elektrilülitust lihtsustada ja tulevikus kasutada operatsioonisüsteemi võimendeid osana elektroonikaseadmetest. Punki nurkade inversioon võetakse vastu, et kompenseerida piloodi füsioloogilisi omadusi Homo Sapiensi esindajana. Kui teete vastupidist, siis madalal kõrgusel langeb lennuk maapinnale. Seda arutati füüsika õppetundides keskkooli keskklassis.

Järgmine küsimus: miks Schwartzel'i operatsioonivõimendi sisendil on kuni kolm signaali? Usume, et vastus on automatiseerimise funktsionaalsete piirangute valdkonnas. Käitaja teeb sihtmärgi algse juhtimise käsitsi, seejärel annab optiline süsteem arvutiseadmele teavet, mille täpsustamist teostatakse. Võibolla juhtida kiirust ja sihtmärgi ulatust. Selle tulemusena tuleb juhtkangilt saadud signaal summeerida saatja käskudega. Kolmas sisend on vajalik tagasiside saamiseks, mis annab pagasiruumi soovitud sujuvusele ja kõrvaldab erinevad liigutused.

Selle tulemusena lahendas operatsioonivõimendi ülesanded ja saavutas samal ajal 95 dB( 65 000 korda) ning kandis uskumatu koormusega 6 kΩ( kaasaegse valjuhääldi sisendiks on saja oomi võrdlemiseks).1947. aasta aprillis said T9 juhtimissüsteemi peamised disainerid Lovell, Parkinson ja Kun Kuningriigi poolt medal teenuste eest, mida president andis teise maailmasõja ajaks( 8. septembrist 1939) kuni 1952. aastani. See on kõrgeim auhind tsiviilisikutele, kes aitasid vaenlase üle võita.

T9 sihtmärgi löömise tõenäosus oli 90%.Nii et mõte sellise arvuti olemasolu pikka aega takistada vaenlast USA ja liitlaste rünnamist. Vahend kuulutati kohe maailma kõige olulisemaks vabaduse ja demokraatia kaitsmise vahendiks.

Operatsioonivõimendite arendamine

Edasine töö operatsioonivõimendite arendamise valdkonnas( 1947) kolis Columbia Ülikooli New Yorgis. Tegevusi jälgis ja juhendas professor John Ragazzini. Arengu käigus leiti kahe trioodi skeem( nende ees oli kolm), kuid arusaadavatel põhjustel on tänapäeva disaini kohta vähe teavet. Autorit nimetatakse Julie Loebiks. Kontuuri koormus on mitu korda suurenenud ja moodustas 300 kΩ.

Julie Loebi skeemis on kaks sisselülitamist ühe ümberpööramise asemel: ümberpööramine ja ümberpööramine. Igale on veel võimalik stressi lisada. Seda kvaliteeti kasutatakse tänapäeval - uut leiutist ei leitud. Diferentsiaalsisend kompenseerib müra triivi, kuid need jäävad suureks, kui on vaja võimendada sub-millivoltide signaale. Esitage viga tööpunkti termilise lahkumise ja pikaajaliste kõikumiste korral. Raskus on lahendatud chopperi abil( pinge langetamine kõrgsageduslikeks impulssideks).Edwin Goldbergi poolt 1949. aastal pakutud kava.

Drift väheneb chopper ülekandearvuga. Külg eeliseks on võimalus kasutada madalamaid sagedusi, kaasa arvatud konstantset pinge. Tagasiside tõttu võib chopper anda kuni 100 dB suuruse juurdekasvu ja kokku on Goldbergi ahelas 163( 150 000 000 korda).Uuendusel olid mitmed piirangud:

1. Esimesed raiumis töötavad skeemid töötasid ainult ümberpööramisrežiimis. Tavalise nõutava kaasamise rakendamine skeemis on liiga palju kaskaase.
2. 1949. aastal ei olnud võimsuse lülitite mõistet. Lõikamine viidi läbi mehaaniliste seadmetega. Olukord on juba lahendatud pooljuhttehnoloogias ning tänapäeval sisaldab iga lülitusvõimsus türistoril chopperit( triac).

pooljuhid

operatsioonivõimendites 40ndate teisel poolel ilmusid stseenile bipolaarsed ja välitõhusad transistorid ning 1958. aastal leiutas Jack Kilby Texas Instrumentsilt integraallülitused. Erinevate konfiguratsioonide kristallile paigaldamise tasapinnaline protsess on revolutsiooniliselt suurendanud operatsioonivõimendite valdkonda. Selle tulemusena annab 60-ndate aastate alguses uued seadmed, mille toiteallikas oli enne 10–15 V, mitte varem. Esimesed integraallülitused osutusid kohmakateks ja kujutasid väikest plaati, millel oli ühendiga üleujutatud monteeritud elemendid( ja transistorid).Kannatavat kasu, koormustakistus ei jõudnud vaevalt 500 oomi.

Aga seadmed ei seisnud. Näiteks võimaldas varactori sild võimendada väga väikesed DC signaalid suureks väärtuseks. Mis võimaldas otseselt kontrollida erinevaid mehhanisme. Tänapäeval on enamik operatiivvõimendeid pooljuhtkristallid, millel on aktiivsed ja passiivsed elemendid.