Operatīvais pastiprinātājs

Operatīvais pastiprinātājs ir elektroniska ierīce ar atgriezenisko saiti ar uzdevumu atkārtoti palielināt signāla starpību starp abām ieejām. Sākotnēji Bell Labs šo dizainu izmantoja, lai vadītu pretgaisa ieročus T9 sistēmā.Tādējādi nosaukums. Angļu valodā operācija tiek tulkota divos veidos: operators un vienlaicīgi veiksmīgs( strādājošs, efektīvs).Un šodien T9 sistēmas efektivitāte nav apšaubāma.

Kā tika izveidots operatīvais pastiprinātājs

Elektronisko lampu izstrāde

Stāsts sākas ar divdesmitā gadsimta( 1904) dzimšanu, kad Flemings uzlaboja Edison elektronisko lampu( skat. Kvēlspuldzi), saņemot pirmo vakuuma diodi. Detalizēti, 1883. gada patents nav kļuvis par pirmo termioniskās emisijas pieminējumu. Desmit gadus iepriekš atzīmētais datums, Frederic Guthrie jau minēja šo parādību( sk. Magnetisms un elektrība, 1873).1906. gadā, pateicoties Lee De Forest, parādījās pirmais vakuuma triode - ierīce, kas strukturāli ir daļa no pirmajiem darbības pastiprinātājiem. Starp esošo kvēldiegu( katodu) un pozitīvo potenciālo disku( anodu) tika pievienots režģis, kura signāls aktīvi ietekmēja elektronu pāreju caur telpu.

diferenciālā pastiprinātāji un atgriezeniskā saite

Jauns solis bija Bell Labs pastiprinātāju tehnoloģijas izstrāde 30-to gadu sākumā ar atgriezenisko saiti, kas tieši noved pie patenta US 2401779 Karl Schwartzel Jr., kas deklarēts 1941.gada 1.maijā.

1928. gadā atgriezeniskā saite, kas bija tik izplatīta, šodien nebija zināma. Un, kad Bell Labs darbinieks Harold Black pirmo reizi ievietoja patentu, tas izrādījās maz noderīgs. Lai izgudrojumu atcerētos, bija vajadzīgi 9 gadi( ASV patents 2 102 671).Kā bieži notiek ar lieliem izgudrojumiem, daudzi cilvēki dažādās Zemes daļās strādāja tajā pašā jautājumā.Zinātnieki ietver:

1. Paul Voight( Apvienotās Karalistes patents 231792, 1924).
2. A.D. Blumleins( Apvienotās Karalistes patents 425553, 1933).
3. Zināms uzņēmums N.V.Philips.

Kad Black izstrādāja savu ideju, viņš mēģināja atrisināt situāciju ar signāla atkārtošanas līdzekļiem sakaru līnijās. Viens vakuuma triode deva labumu tikai 1 dB tikai labvēlīgos apstākļos. Tas prasīja simtiem, tūkstošiem, un šai grupai vajadzēja enerģiju un pieprasīja pavadoņu uzmanību. Pastiprināts izgudrojums ir pastiprinātājs ar atgriezenisko saiti - pieaugums ir palielinājies daudzas reizes, vienlaikus palielinot stabilitāti( Nyquist kritēriji).Uzņēmums Bell Labs burtiski izlauzās par minēto ideju.

Melnās idejas izstrāde ir patenti US 1915440( Harijs Nyquists) un ASV patents 2123178( Hendrick Bode).Nyquist iemeta ideju par vakuuma cauruļu darbu ar līdzstrāvu, kas atkal paplašināja atgriezeniskās saites pielietojamības robežas. Paralēli attīstījās diferenciāli pastiprinātāji - darba signāls tiem ir atšķirība starp abām ieejām. Jāatzīmē attīstības posmi:

• B.H.K. Matthews izgudroja diferenciālu ieeju pastiprinātājam 1934. gadā.Trūkumi: ķēdē ar kopīgiem katodiem tie ir tieši saistīti ar barošanas avota negatīvo polu, kas tieši samazina pastiprinājumu.
• Alan Blumlein devās nedaudz tālāk Apvienotās Karalistes patentu 482470( 1936).Atdalīti kopējie katodi no zemes pretestības.
• 1937. gadā Franklin Offner iepazīstināja ar dizainu, kas nedaudz samazināja ieguvumu, bet palielināja sistēmas stabilitāti. Iepriekš minētajā gadā Otto Schmitt nāca klajā ar pentodu shēmu, kurā šis trūkums nebija.
• 1938. gadā JF Tonnis ieviesa vakuuma cauruļu diferenciālpāra koncepciju.Šajā gadījumā starp zemi un kopējo augstas pretestības rezistoru( Tonnis - mīnus 90 V) tiek pievienots barošanas avots, kas papildus samazina katoda potenciālu.
• Otto Schmitt 1938. gadā apspriež arī garo astes diferenciālo pāri, bet jau kā fāzes invertoru( viens ieeja ir iezemēta).
• Harolds Goldbergs 1940. gadā izskata zemu trokšņu( aptuveni 2 µV) daudzpakāpju diferenciālā pastiprinātāja shēmu. Vēlāk ķēdē ievada pentodu, lai nodrošinātu vēlamo slīpuma strāvu.

darbības pastiprinātāji:

pirmie putni

30-to gadu darbības pastiprinātāju izstrādes uzmanības centrā bija analogās skaitļošanas ierīces. Līdzīgas konstrukcijas tika apspriestas 30. gadsimta beigās un 1940. gadā Džordžs Filbriks un Per Holsts, kam nebija pēdējā soliena - liels ieguvums. Bipolārās jaudas izmantošana ļāva noteikt neatbilstības signālus abos virzienos, lai precīzi noteiktu. M9 sistēma kalpoja kā datorsistēmas vadības bloks, kas aprēķina lādiņu trajektoriju, lai sasniegtu gaisa mērķus.

pētījuma dati ir aprakstīti Higgins aizsardzības pētījumā Bell Labs: Elektriskie datori ugunsgrēka kontrolei.

Tātad, Karl Schwartzel 1941. gada patentā apspriež pirmos opampus. Dokumentācijā izgudrojumu sauc par summēšanu. Nosaukuma izcelsme ir triviāla. Izgudrotājs pats raksta, ka ierīce ir izstrādāta, lai pievienotu n-kārtīgo spriegumu skaitu, un ir iespējams pārveidot esošos datorus līdzīgā veidā.Jaunuma iezīme bija atgriezeniskās saites ieviešana, lai samazinātu sistēmas ieejas pretestību( kas vienkāršos tās koordināciju ar citām elektriskās ķēdes daļām un palielinās pastiprinājumu).

Pirms summēšanas pakāpeniski, vienīgajam spriegumam bija divi stabi, kas ļoti sarežģīja koordināciju.Šis patents attiecas uz ierīci, kurā viss ir vienkāršots. Katrs no spriegumiem vienā polā iegūst kopēju vadu, un sistēmas pārvades koeficientu var regulēt, koriģējot atgriezeniskās saites dziļumu. Vienīgais ierobežojums ir līdzstrāva, kas ne vienmēr spēj pārvarēt vakuumu.

Bell Labs izstrāde noved pie mērķa datora sistēmas prototipa, ar koda nosaukumu T10, izveidošanas. Sistēma( ASV patents 2493183) tika veiksmīgi pārbaudīts 1941. gada decembrī un tika aktīvi attīstīts nākotnē.Darbības pastiprinātāju izmantošanas diapazons tajā ir ievērojami paplašināts. Jāatzīmē, ka patentu Shvarttsel publikācija, kas tika deklarēta 1941. gada 1. maijā, notika tikai pēc Otrā pasaules kara beigām( 1946).Tāpēc sabiedrotie uzskatīja šo inovāciju par svarīgu. Turklāt paša vadlīniju sistēmas specifikācija bija praktiski atvērta( ienaidnieka aģentiem).

Rodas jautājums: kāpēc Shvartzel operatīvais pastiprinātājs pārvērš signālu? Mēs uzskatām, ka, lai gan tas nav tieši norādīts jebkurā vietā, tas tiek darīts pilotu ērtībai. Aviācijas jomā ir ierasts izmantot lidmašīnas apgriezienu pretestības leņķī.Tādējādi dizaineri vēlējās vienkāršot elektrisko ķēdi un nākotnē izmantot darbības pastiprinātājus kā daļu no borta elektronikas. Lai koriģētu pilota fizioloģiskās īpašības kā Homo Sapiens pārstāvi, tiek pieņemts slīpuma leņķa inversija. Ja jūs darāt pretējo, zemā augstumā, plakne nokrīt zemē.Tas tika apspriests fizikas stundās vidusskolu vidusskolās.

Nākamais jautājums: kāpēc Schwartzel operatīvais pastiprinātājs pie ieejas pievieno trīs signālus? Mēs uzskatām, ka atbilde ir automatizācijas funkcionālo ierobežojumu jomā.Sākotnējo vadību uz mērķi veic operators manuāli, tad optiskā sistēma nodrošina skaitļošanas ierīci ar informāciju, par kuru tiek veikta precizēšana. Varbūt ar mērķi sasniegt mērķa ātrumu un diapazonu. Rezultātā signāls no vadības roktura jāsalīdzina ar raidītāja komandām. Trešais ievads ir nepieciešams atgriezeniskajai saitei, kas nodrošinās stumbra kustību vēlamajā gludumā un novērsīs dažādas pārmērības.

Tā rezultātā operatīvais pastiprinātājs atrisināja uzdevumus un tajā pašā laikā ieguva 95 dB( 65 000 reižu) un veica neticamu slodzi 6 kΩ( salīdzinājumam mūsdienu skaļruņa ievadīšana ir simts Ohm).1947. gada aprīlī T9 vadības sistēmas Lovell, Parkinsona un Kuna galvenie dizaineri saņēma medaļu par pakalpojumiem tēvzemei, ko prezidents noteica Otrā pasaules kara laikā( no 1939. gada 8. septembra) līdz 1952. gadam.Šī ir augstākā balva civiliedzīvotājiem, kas veicināja uzvaru pret ienaidnieku.

T9 mērķa sasniegšanas varbūtība bija 90%.Tātad doma par šāda datora pastāvēšanu ilgstoši kavēja ienaidnieku uzbrukt Amerikas Savienotajām Valstīm un sabiedrotajiem.Šis rīks nekavējoties tika pasludināts par svarīgāko līdzekli brīvības un demokrātijas aizsardzībai pasaulē.

Operatīvo pastiprinātāju izstrāde

Turpmākais darbs operatīvo pastiprinātāju izstrādes jomā pārvietots( 1947) uz Kolumbijas universitāti Ņujorkā.Darbības uzraudzīja un vadīja profesors John Ragazzini. Attīstības gaitā tika atrasta divu triodu shēma( pirms tiem bija trīs), bet saprotamu iemeslu dēļ ir maz informācijas par dizainu līdz pat šai dienai. Autors saucas Julie Loeb.Ķēdes slodze ir palielinājusies vairākas reizes un sasniedza 300 kΩ.

Julie Loeb shēmā parādās divi ievadi, nevis viens apgriezts: apgriezt un neinvertēt. Katram ir iespējams pievienot stresu.Šī kvalitāte tiek izmantota šodien - nav izgudrots jauns. Diferenciālā ieeja kompensē trokšņa novirzi, bet tie paliek lieli, ja nepieciešams pastiprināt sub-millivoltos signālus. Ieviest kļūdas darba punkta termiskās izejas un ilgtermiņa svārstības. Grūtības tiek atrisinātas, izmantojot smalcinātāju( sprieguma sagriešana augstfrekvences impulsos).Shēma, ko 1949. gadā ierosināja Edwin Goldberg.

Drift tiek samazināts ar smalcinātāja pārneses attiecību. Blakusparādība ir iespēja izmantot zemas frekvences, ieskaitot pastāvīgu spriegumu. Sakarā ar atgriezenisko saiti, smalcinātājs var dot pieaugumu līdz 100 dB, un kopumā Goldberg ķēde nodrošina 163( 150 000 000 reižu).Jaunumam bija vairāki ierobežojumi:

1. Pirmās shēmas ar smalcinātājiem strādāja tikai apgrieztā režīmā.Parastās nepieciešamās iekļaušanas shēmā īstenošana ir pārāk daudz kaskāžu.
2. 1949. gadā nebija jaudas slēdžu jēdziena. Griešana tika veikta ar mehāniskām ierīcēm. Situācija jau ir atrisināta pusvadītāju tehnoloģijā, un šodien katram komutācijas barošanas avotam ir chopper uz tiristora( triac).

pusvadītāji operacionālajos pastiprinātājos

40.gadu otrajā pusē parādījās bipolārie un lauka efekta tranzistori, un 1958. gadā Jack Kilby no Texas Instruments izgudroja integrālās shēmas. Plakanais process, kas uzstādīts uz dažādu konfigurāciju kristāla, ir revolucionizējis darbības pastiprinātāju lauku. Tā rezultātā 60. gadu sākumā jaunās ierīces ar elektroapgādi ir no 10 līdz 15 V, nevis 350, kas pastāvēja iepriekš.Pirmās integrētās shēmas izrādījās neveiksmīgas un pārstāvēja nelielu plāksni ar uzstādītiem elementiem( un tranzistoriem), kas pārpludināts ar savienojumu. Ciešanas pieaugums, slodzes pretestība tikko sasniedza 500 omus.

Bet iekārta nestāvēja. Piemēram, varaktora tilts ļāva pastiprināt ļoti mazus līdzstrāvas signālus lielā vērtībā.Kas ļāva tieši kontrolēt dažādus mehānismus.Šodien lielākā daļa operacionālo pastiprinātāju ir pusvadītāju kristāli ar aktīviem un pasīviem elementiem.