Amplificatore operativo

Un amplificatore operazionale è un dispositivo elettronico con feedback con il compito di aumentare ripetutamente la differenza di segnale tra i suoi due ingressi. Inizialmente, il progetto è stato utilizzato da Bell Labs per pilotare un cannone antiaereo all'interno del sistema T9.Da qui il nome. In inglese, il funzionamento è tradotto in due modi: operatore e allo stesso tempo di successo( funzionante, efficace).E l'efficacia del sistema T9 oggi è fuori dubbio.

Come è stato creato l'amplificatore operazionale

Lo sviluppo delle lampade elettroniche

La storia inizia con la nascita del ventesimo secolo( 1904), quando Fleming migliorò la lampada elettronica Edison( vedi lampada ad incandescenza), avendo ricevuto il primo diodo vuoto. In dettaglio, il brevetto del 1883 non divenne la prima menzione dell'emissione termoionica. Un decennio della data precedentemente annotata, Frederic Guthrie ha già menzionato questo fenomeno( vedi Magnetismo ed elettricità, 1873).Nel 1906, grazie a Lee De Forest, apparve il primo triodo sottovuoto, un dispositivo che è strutturalmente parte dei primi amplificatori operazionali. Tra il filamento esistente( catodo) e un disco di potenziale positivo( anodo), è stata aggiunta una griglia, il segnale su cui ha attivamente influenzato il passaggio degli elettroni attraverso lo spazio.

Differential Amplifiers and Feedback

Un nuovo passo è stato lo sviluppo nei primi anni '30 della tecnologia Bell di amplificatori con feedback, che porta direttamente al brevetto di US 2401779 Karl Schwartzel Jr., dichiarato il 1 maggio 1941.

Nel 1928, il feedback così diffuso oggi non era noto. E quando l'impiegato di Bell Labs, Harold Black, ha pubblicato il brevetto per la prima volta, si è rivelato poco utile. Ci sono voluti ben 9 anni( brevetto USA 2.102.671) per far venire in mente l'invenzione. Come spesso accade con grandi invenzioni, molte persone in diverse parti della Terra hanno lavorato sullo stesso argomento. Gli scienziati includono:

1. Paul Voight( brevetto britannico 231792, 1924).
2. A.D. Blumlein( brevetto britannico 425553, 1933).
3. Società nota N.V.Philips.

Quando Black sviluppò la sua idea, provò a risolvere la situazione con ripetitori di segnale nelle linee di comunicazione. Un triodo sotto vuoto ha dato un guadagno di un massimo di 1 dB esclusivamente in condizioni favorevoli. Richiedeva centinaia, migliaia e questa band aveva bisogno di energia e richiedeva l'attenzione degli assistenti. Un amplificatore con feedback è diventato un'invenzione sorprendente - il guadagno è aumentato molte volte aumentando allo stesso tempo la stabilità( criterio di Nyquist).La compagnia Bell Labs si è letteralmente incazzata per l'idea.

Lo sviluppo dell'idea di Black sono i brevetti US Patent 1915440( Harry Nyquist) e US Patent 2123178( Hendrick Bode).Nyquist ha gettato l'idea del lavoro dei tubi a vuoto con corrente continua, che ha ampliato ancora la portata dell'applicabilità del feedback. In parallelo, c'è stato lo sviluppo di amplificatori differenziali - il segnale di lavoro per loro è la differenza tra i due ingressi. Le fasi di sviluppo sono annotate:

• B.H.K. Matthews ha inventato un ingresso differenziale per un amplificatore nel 1934.Svantaggio: nel circuito con i catodi comuni sono direttamente collegati al polo negativo della fonte di energia, che riduce direttamente il guadagno.
• Alan Blumlein è andato un po 'oltre nel brevetto UK 482470( 1936).Catodi comuni separati dal resistore di terra.
• Nel 1937, Franklin Offner introdusse un feedback nel progetto, che ridusse leggermente il guadagno, ma aumentò la stabilità del sistema. Nel suddetto anno, Otto Schmitt propose uno schema per i pentodi, dove questa mancanza era assente.
• Nel 1938, JF Tonnis introdusse il concetto di coppia differenziale a coda lunga per tubi a vuoto. In questo caso, viene aggiunta una sorgente di alimentazione tra la massa e il resistore comune ad alta resistenza( in Tonnis - meno 90 V), che riduce ulteriormente il potenziale del catodo.
• Otto Schmitt nel 1938 discute anche la coppia differenziale long-tail, ma già come un invertitore di fase( un ingresso è messo a terra).
• Harold Goldberg nel 1940 inventa lo schema dell'amplificatore differenziale multistadio a bassa rumorosità( circa 2 μV).Successivamente introduce un pentodo nel circuito per fornire la corrente di polarizzazione desiderata. Amplificatori operazionali

: I primi Birdie dell'

Il focus dello sviluppo degli amplificatori operazionali negli anni '30 era nel campo dei dispositivi di calcolo analogici. Costruzioni simili furono discusse alla fine degli anni '30 e nel 1940 da George Philbrick e Per Holst, che mancavano dell'ultimo passo: un grande guadagno. L'uso della potenza bipolare ha permesso di elaborare i segnali di disallineamento in entrambe le direzioni per un puntamento preciso. Il sistema M9 fungeva da unità operativa di un sistema informatico che calcola la traiettoria dei proiettili per colpire bersagli aerei.

I dettagli della ricerca sono descritti nella Higgins's Defense Research presso Bell Labs: Electrical Computers for Fire Control.

Così, Karl Schwartzel nel brevetto del 1941 discute i primi opamp. Nella documentazione, l'invenzione è chiamata somma. L'origine del nome è banale. L'inventore stesso scrive che il dispositivo è progettato per aggiungere l'n-esimo numero di tensioni ed è possibile modificare i computer esistenti in modo simile. Una caratteristica della novità è stata l'introduzione di feedback per ridurre la resistenza di ingresso del sistema( che semplificherà la sua coordinazione con altre parti del circuito elettrico e aumenterà il guadagno).

Prima che la sommatoria avvenisse gradualmente, l'unica tensione aveva due poli, il che complicò notevolmente la coordinazione. Questo brevetto riguarda un dispositivo in cui tutto è semplificato. Ciascuna delle tensioni sommate su uno dei poli acquisisce un filo comune e il coefficiente di trasmissione del sistema può essere regolato regolando la profondità del feedback. L'unica limitazione è la corrente continua, non sempre in grado di superare il vuoto.

Lo sviluppo di Bell Labs porta alla creazione di un prototipo del sistema di puntamento computerizzato, nome in codice T10.Il sistema( brevetto USA 2493183) è stato testato con successo nel dicembre 1941 ed è stato attivamente sviluppato in futuro. Il range di utilizzo degli amplificatori operazionali in esso contenuti è stato notevolmente ampliato. Va notato che la pubblicazione del brevetto Shvarttsel, dichiarato il 1 maggio 1941, avvenne solo dopo la fine della Seconda Guerra Mondiale( 1946).Quindi gli alleati consideravano importante questa innovazione. Inoltre, la specifica per il sistema di guida era praticamente in accesso aperto( per agenti nemici).

La domanda sorge spontanea: perché l'amplificatore operazionale Shvartzel inverte il segnale? Noi crediamo - anche se non è dichiarato direttamente da nessuna parte - che ciò sia fatto per la comodità dei piloti. Nell'aviazione, è consuetudine utilizzare l'inversione dell'aeromobile nell'angolo di inclinazione. Pertanto, i progettisti volevano semplificare il circuito elettrico e in futuro utilizzare amplificatori operazionali come parte dell'elettronica di bordo. L'inversione dell'angolo di inclinazione viene adottata per compensare le caratteristiche fisiologiche del pilota come rappresentante dell'Homo Sapiens. Se fai il contrario, a basse altitudini, l'aereo cadrà a terra. Questo è stato discusso alle lezioni di fisica nelle classi medie delle scuole secondarie.

La prossima domanda: perché l'amplificatore operazionale Schwartzel aggiunge fino a tre segnali all'ingresso? Crediamo che la risposta risieda nell'area delle limitazioni funzionali dell'automazione. La guida iniziale all'obiettivo viene eseguita manualmente dall'operatore, quindi il sistema ottico fornisce al dispositivo di calcolo le informazioni su cui viene eseguito il raffinamento. Forse con un vantaggio sulla velocità e sulla portata del bersaglio. Di conseguenza, il segnale dall'impugnatura di controllo deve essere riassunto con i comandi del trasmettitore. Il terzo input è necessario per il feedback, che darà al movimento del tronco la levigatezza desiderata ed eliminerà i vari eccessi.

Come risultato, l'amplificatore operazionale ha risolto i compiti e allo stesso tempo ha guadagnato 95 dB( 65.000 volte) e ha portato un incredibile carico di 6 kΩ( l'ingresso di un moderno altoparlante è di 100 ohm - per il confronto).E nell'aprile del 1947, i principali progettisti del sistema di guida T9, Lovell, Parkinson e Kun, ricevettero una medaglia per i servizi alla patria stabilita dal presidente per il periodo della Seconda Guerra Mondiale( dall'8 settembre 1939) al 1952 compreso. Questo è il più alto riconoscimento per i civili che hanno contribuito alla vittoria sul nemico.

La probabilità di colpire il bersaglio T9 era del 90%.Quindi il pensiero dell'esistenza di un simile computer per lungo tempo scoraggiò il nemico dall'attaccare gli Stati Uniti e gli alleati. Lo strumento è stato immediatamente dichiarato il mezzo più importante per proteggere la libertà e la democrazia nel mondo.

Sviluppo di amplificatori operazionali

Ulteriore lavoro nel campo dello sviluppo degli amplificatori operazionali si è trasferito( 1947) alla Columbia University di New York. Le attività sono state monitorate e dirette dal professor John Ragazzini. Nel corso dello sviluppo, è stato trovato uno schema di due triodi( ce ne erano tre prima di loro), ma per ragioni comprensibili, ci sono poche informazioni sul design fino ad oggi. L'autore si chiama Julie Loeb. Il carico del circuito è aumentato diverse volte e ammontava a 300 kΩ.

È nello schema di Julie Loeb che appaiono due ingressi anziché un invertente: invertente e non invertente.È ancora possibile aggiungere stress a ciascuno. Questa qualità è usata oggi - non ne è stata inventata una nuova. L'ingresso differenziale compensa la deriva del rumore, ma rimane grande in caso di necessità di amplificare i segnali sub-millivolt. Introdurre un errore nella partenza termica del punto di funzionamento e le fluttuazioni a lungo termine. La difficoltà è risolta usando un chopper( tagliando la tensione in impulsi ad alta frequenza).Schema proposto nel 1949 da Edwin Goldberg. La deriva dell'

è ridotta dal rapporto di trasferimento del chopper. Un vantaggio laterale è la possibilità di utilizzare le basse frequenze, compresa la tensione costante. A causa della presenza di feedback, il chopper può fornire un guadagno fino a 100 dB e, in totale, il circuito di Goldberg ne fornisce 163( 150.000.000 di volte).La novità aveva diversi limiti:

1. I primi schemi con chopper funzionavano solo in modalità invertita. L'implementazione della consueta inclusione richiesta nello schema troppe cascate.
2. All'epoca del 1949 non esisteva il concetto di interruttori di potenza. Il taglio è stato fatto con dispositivi meccanici. La situazione è già stata risolta nella tecnologia dei semiconduttori, e oggi ogni alimentatore switching include un chopper su un tiristore( triac).

Semiconductors in amplificatori operazionali

Nella seconda metà degli anni '40, i transistor bipolari e ad effetto di campo sono comparsi sulla scena, e nel 1958, Jack Kilby di Texas Instruments ha inventato circuiti integrati. Il processo planare di montare su un cristallo di varie configurazioni ha rivoluzionato il campo degli amplificatori operazionali. Di conseguenza, l'inizio degli anni '60 offre ai nuovi dispositivi alimentatori dell'ordine di 10-15 V anziché di 350 esistenti in precedenza. I primi circuiti integrati risultarono essere maldestri e rappresentarono una piccola scheda con elementi montati( e transistor) inondati di composto. Aumento del guadagno, la resistenza di carico ha raggiunto a malapena i 500 ohm.

Ma l'attrezzatura non si è fermata. Ad esempio, il ponte varactor ha reso possibile amplificare segnali DC molto piccoli ad un valore elevato. Ciò che ha reso possibile il controllo diretto di vari meccanismi. Oggi, la maggior parte degli amplificatori operazionali sono cristalli semiconduttori con elementi attivi e passivi formati su di essi.