Amplificateur opérationnel

Un amplificateur opérationnel est un dispositif électronique à retour d'informations ayant pour tâche d'augmenter de manière répétée la différence de signal entre ses deux entrées. Au départ, les laboratoires Bell ont utilisé cette conception pour piloter un canon antiaérien dans le système T9.D'où le nom. En anglais, opérationnel est traduit de deux manières: opérateur et succès( travail, efficacité).Et l'efficacité du système T9 aujourd'hui ne fait aucun doute.

Comment l’amplificateur opérationnel

a été créé Le développement des tubes électroniques

En détail, le brevet de 1883 n'est pas devenu la première mention de l'émission thermionique. Une décennie de la date mentionnée précédemment, Frédéric Guthrie a déjà mentionné ce phénomène( voir Magnetism and Electricity, 1873).En 1906, grâce à Lee De Forest, la première triode à vide est apparue - un appareil faisant partie structurellement des premiers amplificateurs opérationnels. Entre le filament existant( cathode) et un disque à potentiel positif( anode), une grille a été ajoutée, le signal sur lequel a activement influencé le passage des électrons à travers l'espace.

et feedback

Le développement au début des années 30 de la technologie des amplificateurs à rétroaction de Bell Labs a conduit au brevet US 2401779 de Karl Schwartzel Jr, déclaré le 1er mai 1941.

En 1928, les réactions si répandues aujourd'hui n'étaient pas connues. Et quand Harold Black, employé de Bell Labs, a publié le brevet pour la première fois, il s’est avéré peu utile. Il a fallu jusqu'à 9 ans( brevet US 2 102 671) pour évoquer l'invention. Comme cela arrive souvent avec de grandes inventions, de nombreuses personnes dans différentes parties de la Terre ont travaillé sur le même sujet. Les scientifiques incluent:

1. Paul Voight( brevet britannique 231792, 1924).
2. A.D. Blumlein( brevet britannique 425553, 1933).
3. Société connue N.V.Philips.

Lorsque Black développa son idée, il tenta de résoudre le problème avec des répéteurs de signaux dans les lignes de communication. Une triode à vide donnait un gain maximal de 1 dB exclusivement dans des conditions favorables. Des centaines, des milliers étaient nécessaires, et ce groupe avait besoin d'énergie et exigeait l'attention des assistants. Un amplificateur avec retour est devenu une invention étonnante: le gain a été multiplié par de nombreuses fois tout en augmentant la stabilité( critères de Nyquist).La société Bell Labs a littéralement énervé cette idée.

Les brevets US 1915440( Harry Nyquist) et US 2123178( Hendrick Bode) ont été développés. Nyquist a lancé l'idée du travail des tubes à vide à courant continu, ce qui a encore élargi le champ d'application du retour. En parallèle, il y avait le développement des amplificateurs différentiels - le signal de travail pour eux est la différence entre les deux entrées. Les étapes de développement sont notées:

• B.H.K. Matthews a inventé une entrée différentielle pour un amplificateur en 1934.Inconvénient: dans le circuit à cathodes communes, ils sont directement connectés au pôle négatif de la source d’alimentation, ce qui réduit directement le gain.
• Alan Blumlein est allé un peu plus loin dans le brevet britannique 482470( 1936).Séparez les cathodes communes de la résistance de terre.
• En 1937, Franklin Offner introduisit un retour dans la conception, ce qui réduisit légèrement le gain, mais augmenta la stabilité du système. Au cours de l’année susmentionnée, Otto Schmitt a mis au point un système pour les pentodes, dans lequel cette déficience était absente.
• En 1938, JF Tonnis introduisit le concept d'une paire différentielle à longue queue pour les tubes à vide. Dans ce cas, une source d'alimentation est ajoutée entre la terre et la résistance commune à haute résistance( en Tonnis - moins 90 V), ce qui réduit également le potentiel de la cathode.
• Otto Schmitt en 1938 décrit également la paire différentielle à longue traîne, mais déjà sous la forme d'un inverseur de phase( une entrée est mise à la terre).
• Harold Goldberg, en 1940, a inventé le schéma de l’amplificateur différentiel multi-étages à faible bruit( environ 2 µV).Plus tard introduit une pentode dans le circuit pour fournir le courant de polarisation désiré.

Amplificateurs opérationnels: les premiers Birdies

Le développement des amplificateurs opérationnels dans les années 30 était axé sur le domaine des dispositifs informatiques analogiques. Des constructions similaires ont été discutées à la fin des années 30 et en 1940 par George Philbrick et Per Holst, manquant le dernier pas: un gain important. L’utilisation de la puissance bipolaire a permis d’élaborer des signaux de non-concordance dans les deux sens pour une visée précise. Le système M9 a servi d’unité de commande d’un système informatique qui calcule la trajectoire des projectiles pour atteindre des cibles aériennes.

Les détails de la recherche sont décrits dans Recherche pour la défense de Higgins aux Bell Labs: ordinateurs électriques pour la lutte contre les incendies.

Karl Schwartzel, dans le brevet de 1941, parle des premiers opamps. Dans la documentation, l’invention s’appelle sommation. L'origine du nom est triviale. L'inventeur écrit lui-même que le dispositif est conçu pour ajouter le nième nombre de tensions et qu'il est possible, de la même manière, de modifier des ordinateurs existants. Une des caractéristiques de la nouveauté était l’introduction de la rétroaction pour réduire la résistance d’entrée du système( ce qui simplifierait sa coordination avec les autres parties du circuit électrique et augmenterait le gain).

Avant que la sommation se produise progressivement, la seule tension avait deux pôles, ce qui compliquait grandement la coordination. Ce brevet concerne un appareil où tout est simplifié.Chacune des tensions additionnées sur l'un des pôles acquiert un fil commun, et le coefficient de transmission du système peut être ajusté en ajustant la profondeur de la contre-réaction. La seule limitation est le courant continu, pas toujours capable de surmonter le vide.

Le développement des Bell Labs a conduit à la création d'un prototype du système informatique de visée, nommé T10.Le système( brevet US 2493183) a été testé avec succès en décembre 1941 et a été activement développé à l'avenir. La plage d'utilisation des amplificateurs opérationnels a été considérablement étendue. Il convient de noter que la publication du brevet Shvarttsel, déclarée le 1 er mai 1941, n’est survenue qu’après la fin de la Seconde Guerre mondiale( 1946).Les alliés considéraient donc cette innovation comme importante. De plus, la spécification du système de guidage lui-même était pratiquement en accès ouvert( pour les agents ennemis).

La question qui se pose est de savoir pourquoi l'amplificateur opérationnel Shvartzel inverse le signal. Nous pensons - bien que cela ne soit directement indiqué nulle part - que cela est fait pour la commodité des pilotes. En aviation, il est habituel d’utiliser l’inversion de l’avion en angle de tangage. Ainsi, les concepteurs ont voulu simplifier le circuit électrique et, à l'avenir, utiliser des amplificateurs opérationnels dans le cadre de l'électronique embarquée. L’inversion de l’angle de tangage est adoptée pour compenser les caractéristiques physiologiques du pilote en tant que représentant de l’Homo Sapiens. Si vous faites l'inverse, à basse altitude, l'avion tombera au sol. Cela a été discuté lors des cours de physique dans les classes moyennes des écoles secondaires.

La question suivante: pourquoi l'amplificateur opérationnel Schwartzel ajoute-t-il jusqu'à trois signaux à l'entrée? Nous pensons que la solution réside dans le domaine des limitations fonctionnelles de l’automatisation. Le guidage initial vers la cible est effectué manuellement par l'opérateur, puis le système optique fournit au dispositif informatique des informations sur lesquelles le raffinement est effectué.Peut-être avec une avance sur la vitesse et la portée de la cible. En conséquence, le signal de la manette de contrôle doit être résumé avec les commandes de l’émetteur. La troisième entrée est nécessaire pour le retour d’information, ce qui donnera au mouvement du coffre la souplesse souhaitée et éliminera divers excès.

En conséquence, l’amplificateur opérationnel résolvait des tâches tout en gagnant 95 dB( 65 000 fois) et supportant une charge incroyable de 6 kΩ( l’entrée d’un haut-parleur moderne est de cent Ohm - à titre de comparaison).Et en avril 1947, les principaux concepteurs du système de guidage T9, Lovell, Parkinson et Kun, reçoivent une médaille pour services rendus à la patrie, créée par le président pendant la période de la Seconde Guerre mondiale( du 8 septembre 1939) à 1952 inclus. C'est la plus haute récompense pour les civils qui ont contribué à la victoire sur l'ennemi.

La probabilité d'atteindre la cible T9 était de 90%.Ainsi, l'idée de l'existence d'un tel ordinateur pendant longtemps a découragé l'ennemi d'attaquer les États-Unis et leurs alliés. Cet outil a immédiatement été déclaré le moyen le plus important de protéger la liberté et la démocratie dans le monde.

Développement d'amplificateurs opérationnels

D'autres travaux dans le domaine du développement d'amplificateurs opérationnels ont été transférés( 1947) à l'Université Columbia de New York. Les activités ont été surveillées et dirigées par le professeur John Ragazzini. Au cours du développement, un schéma de deux triodes a été trouvé( il en existait trois auparavant), mais pour des raisons compréhensibles, il existe peu d'informations sur la conception à ce jour. L'auteur s'appelle Julie Loeb. La charge du circuit a été multipliée par plusieurs pour atteindre 300 kΩ.

C’est dans le schéma de Julie Loeb que deux entrées apparaissent au lieu d’une inversion: inversion et non inversion. Il est encore possible d'ajouter du stress à chacun. Cette qualité est utilisée aujourd'hui - aucune nouvelle n'a été inventée. L'entrée différentielle compense la dérive de bruit mais reste importante en cas de besoin d'amplification de signaux inférieurs à un millivolt. Introduire une erreur dans le départ thermique du point de fonctionnement et des fluctuations à long terme. La difficulté est résolue à l'aide d'un hacheur( couper la tension en impulsions haute fréquence).Schéma proposé en 1949 par Edwin Goldberg.

La dérive est réduite par le rapport de transfert du découpeur. Un avantage supplémentaire est la possibilité d'utiliser des basses fréquences, y compris une tension constante. En raison de la présence de retour, le hacheur peut donner un gain jusqu’à 100 dB, et au total, le circuit de Goldberg en fournit 163( 150 000 000 fois).La nouveauté avait plusieurs limitations:

1. Les premiers systèmes avec des hacheurs fonctionnaient uniquement en mode inversion. La mise en œuvre de l'inclusion habituelle requise dans le schéma trop de cascades.
2. À l'époque de 1949, il n'y avait pas de concept d'interrupteur d'alimentation. La coupe a été faite avec des appareils mécaniques. La situation dans la technologie des semi-conducteurs a déjà été résolue et chaque alimentation à découpage comprend aujourd'hui un hacheur sur un thyristor( triac).

Semi-conducteurs dans les amplificateurs opérationnels

Dans la seconde moitié des années 40, des transistors bipolaires et à effet de champ font leur apparition. En 1958, Jack Kilby de Texas Instruments invente les circuits intégrés. Le processus de montage planaire sur un cristal de différentes configurations a révolutionné le domaine des amplificateurs opérationnels. En conséquence, le début des années 60 donne de nouveaux appareils avec une alimentation de l’ordre de 10-15 V au lieu de 350 auparavant. Les premiers circuits intégrés se sont avérés maladroits et représentaient une petite carte avec des éléments montés( et des transistors) inondés de composés. Gain souffert, la résistance de charge atteint à peine 500 ohms.

Mais l'équipement n'est pas resté immobile. Par exemple, le pont varactor a permis d’amplifier de très petits signaux continus. Ce qui a permis de contrôler directement divers mécanismes. Aujourd'hui, la plupart des amplificateurs opérationnels sont des cristaux semi-conducteurs sur lesquels sont formés des éléments actifs et passifs.