Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny to urządzenie elektroniczne ze sprzężeniem zwrotnym, którego zadaniem jest ciągłe zwiększanie różnicy sygnałów między dwoma wejściami. Początkowo projekt był wykorzystywany przez Bell Labs do napędzania działa przeciwlotniczego w systemie T9.Stąd nazwa. W języku angielskim działanie jest tłumaczone na dwa sposoby: operator i jednocześnie udany( działający, skuteczny).Skuteczność systemu T9 jest dziś ponad wszelką wątpliwość.

Jak powstał wzmacniacz operacyjny

Rozwój lamp elektronicznych

Historia rozpoczyna się wraz z narodzinami XX wieku( 1904), kiedy Fleming ulepszył lampę elektroniczną Edisona( patrz lampa żarowa), po otrzymaniu pierwszej diody próżniowej. W szczególności, patent z 1883 r. Nie stał się pierwszą wzmianką o emisji termicznej. Dekadę wcześniej wspomnianej daty Frederic Guthrie wspomniał już o tym zjawisku( zob. Magnetism and Electricity, 1873).W 1906 roku, dzięki Lee De Forest, pojawiła się pierwsza trioda próżniowa - urządzenie będące strukturalnie częścią pierwszych wzmacniaczy operacyjnych. Pomiędzy istniejącym włóknem( katodą) a dodatnim potencjałem dysku( anodą) dodano siatkę, której sygnał aktywnie wpłynął na przejście elektronów przez przestrzeń.

Wzmacniacze różnicowe i sprzężenie zwrotne

Nowym krokiem było opracowanie we wczesnych latach 30-tych technologii wzmacniaczy Bell Labs ze sprzężeniem zwrotnym, która prowadzi bezpośrednio do patentu US 2401779 Karla Schwartzela Jr., zadeklarowanego 1 maja 1941 roku.

W roku 1928 nie znano tak powszechnych opinii. A kiedy pracownik firmy Bell Labs, Harold Black, opublikował patent po raz pierwszy, okazało się to mało przydatne. Potrzeba było aż dziewięciu lat( Patent Stanów Zjednoczonych 2 102 191), aby przywołać wynalazek. Jak to często bywa z wielkimi wynalazkami, wielu ludzi w różnych częściach Ziemi pracowało nad tym samym tematem. Naukowcy obejmują:

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

Kiedy Black rozwinął swój pomysł, próbował rozwiązać sytuację za pomocą wzmacniaczy sygnału w liniach komunikacyjnych. Jedna trioda próżniowa dała zysk w wysokości maksymalnie 1 dB wyłącznie w sprzyjających warunkach. Wymagało setek, tysięcy, a ten zespół potrzebował energii i wymagał uwagi uczestników. Wzmacniacz ze sprzężeniem zwrotnym stał się oszałamiającym wynalazkiem - wzmocnienie wzrastało wielokrotnie, a jednocześnie zwiększało stabilność( kryteria Nyquista).Firma Bell Labs dosłownie wkurzyła się na wspomniany pomysł.

Rozwój idei Black to patenty US Patent 1915440( Harry Nyquist) i patent USA 2123178( Hendrick Bode).Nyquist rzucił ideę pracy lamp próżniowych prądem stałym, co ponownie rozszerzyło zakres zastosowania sprzężeń zwrotnych. Równolegle rozwijał się wzmacniacz różnicowy - sygnałem roboczym dla nich jest różnica między dwoma wejściami. Zauważono stadia rozwoju:

• B.H.K Matthews wynalazł wejście różnicowe dla wzmacniacza w 1934 roku. Wada: w obwodzie ze wspólnymi katodami są one bezpośrednio podłączone do ujemnego bieguna źródła zasilania, co bezpośrednio zmniejsza wzmocnienie.
• Alan Blumlein poszedł trochę dalej w brytyjskim patencie 482470( 1936).Oddzielne wspólne katody od rezystora uziemienia.
• W 1937 roku Franklin Offner wprowadził informację zwrotną do projektu, co nieznacznie zmniejszyło zysk, ale zwiększyło stabilność systemu. We wspomnianym roku Otto Schmitt opracował schemat pentod, w którym ten brak był nieobecny.
• W 1938 r. JF Tonnis przedstawił koncepcję pary dyferencjału długiego ogona dla lamp próżniowych. W tym przypadku źródło zasilania jest dodawane między masą a wspólnym rezystorem wysokiej rezystancji( w Tonnis - minus 90 V), co dodatkowo zmniejsza potencjał katody.
• Otto Schmitt w 1938 r. Omawia również parę różnicową o długim ogonie, ale już jako falownik fazowy( jedno wejście jest uziemione).
• Harold Goldberg w 1940 r. Wymyśla schemat wielostopniowego wzmacniacza różnicowego o niskim poziomie hałasu( około 2 μV).Później wprowadza pentode do obwodu, aby zapewnić pożądany prąd polaryzacji.

Wzmacniacze operacyjne: pierwsze ptaszki

Głównym celem rozwoju wzmacniaczy operacyjnych w latach 30. było zastosowanie analogowych urządzeń komputerowych. Podobne konstrukcje omawiane były pod koniec lat 30. iw 1940 roku przez George'a Philbricka i Per Holsta, bez ostatniego kroku - duży zysk. Wykorzystanie mocy bipolarnej pozwoliło na wypracowanie sygnałów niedopasowania w obu kierunkach dla dokładnego celowania. System M9 służył jako jednostka operacyjna systemu komputerowego, który oblicza trajektorię pocisków, aby trafić cele powietrzne.

Szczegóły badań zostały opisane w Higgins 'Defense Research w Bell Labs: Electrical Computers for Fire Control.

Tak więc Karl Schwartzel w patencie z 1941 r. Omawia pierwsze opampy. W dokumentacji wynalazek nazywa się sumowaniem. Pochodzenie nazwy jest banalne. Sam wynalazca pisze, że urządzenie ma na celu dodanie n-tej liczby napięć i możliwe jest modyfikowanie istniejących komputerów w podobny sposób. Nowością było wprowadzenie sprzężenia zwrotnego w celu zmniejszenia rezystancji wejściowej systemu( co uprości jego koordynację z innymi częściami obwodu elektrycznego i zwiększy wzmocnienie).

Zanim sumowanie nastąpiło stopniowo, jedyne napięcie miało dwa bieguny, co znacznie komplikowało koordynację.Patent ten dotyczy urządzenia, w którym wszystko jest uproszczone. Każde zsumowane napięcie na jednym z biegunów uzyskuje wspólny przewód, a współczynnik transmisji systemu można regulować poprzez regulację głębokości sprzężenia zwrotnego. Jedynym ograniczeniem jest prąd stały, który nie zawsze jest w stanie pokonać próżnię.

Rozwój Bell Labs prowadzi do stworzenia prototypu celującego systemu komputerowego o kryptonimie T10.System( patent USA 2493183) został pomyślnie przetestowany w grudniu 1941 r. I był aktywnie rozwijany w przyszłości. Zakres zastosowania wzmacniaczy operacyjnych został znacznie rozszerzony. Należy zauważyć, że opublikowanie patentu Shvarttsel, ogłoszonego 1 maja 1941 r., Nastąpiło dopiero po zakończeniu II wojny światowej( 1946 r.).Tak więc sojusznicy uznali tę innowację za ważną.Co więcej, specyfikacja systemu nawigacji była praktycznie w otwartym dostępie( dla wrogich agentów).

Powstaje pytanie: dlaczego wzmacniacz operacyjny Shvartzel odwraca sygnał?Wierzymy - choć nie jest to nigdzie bezpośrednio stwierdzone - że odbywa się to dla wygody pilotów. W lotnictwie zwyczajowo wykorzystuje się inwersję samolotu pod kątem pochylenia. W związku z tym projektanci chcieli uprościć obwód elektryczny, aw przyszłości używać wzmacniaczy operacyjnych jako części elektroniki pokładowej. Korekcja kąta nachylenia jest dostosowana do kompensacji fizjologicznych cech pilota jako przedstawiciela Homo Sapiens. Jeśli zrobisz coś przeciwnego, na niskich wysokościach samolot spadnie na ziemię.Zostało to omówione na lekcjach fizyki w klasach średnich szkół średnich.

Kolejne pytanie: dlaczego wzmacniacz operacyjny Schwartzel dodaje do trzech sygnałów na wejściu? Uważamy, że odpowiedź leży w obszarze ograniczeń funkcjonalnych automatyzacji. Początkowe wskazówki do celu są wykonywane ręcznie przez operatora, a następnie system optyczny dostarcza urządzeniu komputerowemu informacji, na podstawie których dokonywane jest udoskonalenie. Być może z przewagą szybkości i zakresu celu. W rezultacie sygnał z dźwigni sterującej powinien zostać zsumowany za pomocą poleceń nadajnika. Trzecie wejście jest potrzebne do sprzężenia zwrotnego, które zapewni ruchowi pnia pożądaną gładkość i wyeliminuje różne nadmiary.

W rezultacie wzmacniacz operacyjny rozwiązał zadania i jednocześnie zyskał 95 dB( 65 000 razy) i przyniósł niewiarygodne obciążenie 6 kΩ( wejście nowoczesnego głośnika to sto Ohm - dla porównania).W kwietniu 1947 r. Główni projektanci systemu kierowania T9, Lovell, Parkinson i Kun, otrzymali medal za usługi dla ojczyzny, ustanowiony przez prezydenta na okres drugiej wojny światowej( od 8 września 1939 r.) Do 1952 r. Włącznie. Jest to najwyższa nagroda dla cywili, którzy przyczynili się do zwycięstwa nad wrogiem.

Prawdopodobieństwo trafienia w cel T9 było 90%.Tak więc myśl o istnieniu takiego komputera przez długi czas zniechęcała wroga do atakowania Stanów Zjednoczonych i sojuszników. Narzędzie zostało natychmiast uznane za najważniejszy środek ochrony wolności i demokracji na świecie.

Opracowanie wzmacniaczy operacyjnych

Dalsze prace w dziedzinie rozwoju wzmacniaczy operacyjnych przeniesiono( 1947 r.) Na Columbia University w Nowym Jorku. Działania były monitorowane i kierowane przez profesora Johna Ragazziniego. W trakcie opracowywania systemu znaleziono dwie triody( przed nimi były trzy), ale ze zrozumiałych względów niewiele jest informacji na temat tego projektu do dnia dzisiejszego. Autor nazywa się Julie Loeb. Obciążenie obwodu wzrosło kilkakrotnie i wyniosło 300 kΩ.

W schemacie Julie Loeb pojawiają się dwa wejścia zamiast odwracania: odwracanie, a nie odwracanie. Nadal można dodać stresu do każdego z nich. Ta jakość jest dziś używana - nie wymyślono żadnej nowej. Wejście różnicowe kompensuje dryf hałasu, ale pozostaje duże w przypadku potrzeby wzmocnienia sygnałów podmiliwoltowych. Wprowadzono niedokładności w stratach termicznych punktu pracy i długotrwałych wahaniach. Trudność rozwiązuje się za pomocą przerywacza( odcięcie napięcia na impulsy wysokiej częstotliwości).Schemat zaproponowany w 1949 roku przez Edwina Goldberga.

Dryf jest redukowany przez współczynnik przenoszenia siekacza. Dodatkową zaletą jest możliwość wykorzystania niskich częstotliwości, w tym stałego napięcia. Ze względu na sprzężenie zwrotne, śmigłowiec może uzyskać wzmocnienie do 100 dB, w sumie obwód Goldberga zapewnia 163( 150 000 000 razy).Nowość miała kilka ograniczeń:

1. Pierwsze schematy z chopperami działały tylko w trybie odwracania. Wdrożenie zwykłego wymaganego włączenia do schematu zbyt wielu kaskad.
2. W 1949 roku nie było koncepcji wyłączników mocy. Cięcie zostało wykonane przy użyciu urządzeń mechanicznych. Sytuacja została już rozwiązana w technologii półprzewodnikowej, a dziś każdy zasilacz impulsowy zawiera siekacz na tyrystorze( triaku).

Półprzewodniki w wzmacniaczach operacyjnych

W drugiej połowie lat 40. na scenie pojawiły się tranzystory bipolarne i polowe, aw 1958 roku Jack Kilby z Texas Instruments wynalazł układy scalone. Płaski proces montażu na krysztale o różnych konfiguracjach zrewolucjonizował pole wzmacniaczy operacyjnych. W rezultacie na początku lat 60. powstały nowe urządzenia o mocy rzędu 10-15 V zamiast 350, które istniały wcześniej. Pierwsze układy scalone okazały się nieporęczne i stanowiły małą płytkę z zamontowanymi elementami( i tranzystorami) zalanymi mieszanką.Wzmocnione wzmocnienie, rezystancja obciążenia ledwo osiągnęła 500 omów.

Ale sprzęt nie zatrzymał się.Na przykład mostek varactor umożliwił wzmocnienie bardzo małych sygnałów DC do dużej wartości. Co umożliwiło bezpośrednią kontrolę różnych mechanizmów. Obecnie większość wzmacniaczy operacyjnych to kryształy półprzewodników z utworzonymi na nich elementami aktywnymi i pasywnymi.