Um amplificador operacional é um dispositivo eletrônico com feedback com a tarefa de aumentar repetidamente a diferença de sinal entre suas duas entradas. Inicialmente, o design foi usado pela Bell Labs para conduzir uma arma anti-aérea dentro do sistema T9.Daí o nome. Em inglês, operacional é traduzido de duas maneiras: operador e ao mesmo tempo bem sucedido( trabalhando, efetivo).E a eficácia do sistema T9 hoje está além de qualquer dúvida.
Como o amplificador operacional
foi criado O desenvolvimento de lâmpadas eletrônicas
A história começa com o nascimento do século XX( 1904), quando a Fleming melhorou a lâmpada eletrônica Edison( veja lâmpada incandescente), tendo recebido o primeiro diodo a vácuo. Em detalhe, a patente de 1883 não se tornou a primeira menção de emissão termiônica. Uma década da data anterior, Frederic Guthrie já mencionou esse fenômeno( ver Magnetismo e Eletricidade, 1873).Em 1906, graças a Lee De Forest, surgiu o primeiro triodo a vácuo - um dispositivo que é estruturalmente parte dos primeiros amplificadores operacionais. Entre o filamento existente( catodo) e um disco de potencial positivo( ânodo), foi acrescentada uma grade, cujo sinal influenciou ativamente a passagem de elétrons pelo espaço. Amplificador diferencial
Amplificador diferencial Um novo passo foi o desenvolvimento, no início dos anos 30, da tecnologia de amplificadores com feedback da Bell Labs, que leva diretamente à patente do US 2401779 Karl Schwartzel Jr., declarado em 1º de maio de 1941. Em 1928, o feedback tão prevalente hoje não era conhecido. E quando o empregado da Bell Labs, Harold Black, publicou a patente pela primeira vez, acabou sendo pouco útil. Demorou até 9 anos( Patente dos EUA 2.102.671) para trazer a invenção à mente. Como muitas vezes acontece com grandes invenções, muitas pessoas em diferentes partes da Terra trabalhavam no mesmo assunto. Os cientistas incluem:
- Paul Voight( Patente do Reino Unido 231792, 1924).
- D. D. Blumlein( Patente UK 425553, 1933).
- Empresa conhecida N.V.Philips.
Quando Black desenvolveu sua idéia, ele tentou resolver a situação com repetidores de sinal nas linhas de comunicação. Um triodo a vácuo deu um ganho de no máximo 1 dB exclusivamente em condições favoráveis. Foram necessárias centenas, milhares e essa banda precisava de energia e exigia a atenção dos atendentes. Um amplificador com feedback tornou-se uma invenção impressionante - o ganho aumentou muitas vezes e, ao mesmo tempo, aumentou a estabilidade( critério de Nyquist).A empresa Bell Labs literalmente chateado com a idéia disse.
Harold Black
O desenvolvimento da ideia de Black são as patentes US Patent 1915440( Harry Nyquist) e US Patent 2123178( Hendrick Bode).Nyquist jogou a idéia do trabalho de tubos de vácuo com corrente contínua, que novamente expandiu o escopo de aplicabilidade do feedback. Em paralelo, houve o desenvolvimento de amplificadores diferenciais - o sinal de trabalho para eles é a diferença entre as duas entradas. Os estágios de desenvolvimento são notados:
- B.H.K. Matthews inventou uma entrada diferencial para um amplificador em 1934.Desvantagem: no circuito com catodos comuns eles são conectados diretamente ao pólo negativo da fonte de energia, o que reduz diretamente o ganho.
- Alan Blumlein foi um pouco mais longe na Patente do Reino Unido 482470( 1936).Catodos comuns separados do resistor de aterramento.
- Em 1937, Franklin Offner introduziu o feedback no design, o que reduziu ligeiramente o ganho, mas aumentou a estabilidade do sistema. No ano mencionado, Otto Schmitt criou um esquema para pentodos, onde essa deficiência estava ausente.
- Em 1938, JF Tonnis introduziu o conceito de um par diferencial de cauda longa para tubos de vácuo. Neste caso, uma fonte de energia é adicionada entre o terra e o resistor comum de alta resistência( em Tonnis - menos 90 V), o que reduz adicionalmente o potencial do cátodo.
- Otto Schmitt em 1938 também discute o par diferencial de cauda longa, mas já como um inversor de fase( uma entrada é aterrada).
- Harold Goldberg em 1940 inventa o esquema de amplificador diferencial de vários estágios de baixo ruído( cerca de 2 µV).Posteriormente, introduz-se um pentodo no circuito para fornecer a corrente de polarização desejada. Amplificadores operacionais
: Os primeiros passarinhos do
O foco do desenvolvimento de amplificadores operacionais na década de 30 foi no campo dos dispositivos de computação analógica. Construções semelhantes foram discutidas no final dos anos 30 e em 1940 por George Philbrick e Per Holst, faltando o último passo - um grande ganho. O uso de energia bipolar permitiu trabalhar os sinais de incompatibilidade em ambas as direções para um objetivo preciso. O sistema M9 serviu como uma unidade operacional de um sistema de computador que calcula a trajetória dos projéteis para atingir alvos aéreos.
Os detalhes da pesquisa são descritos em Higgins 'Defense Research no Bell Labs: Electrical Computers for Fire Control.
Assim, Karl Schwartzel na patente de 1941 discute os primeiros opamps. Na documentação, a invenção é chamada de soma. A origem do nome é trivial. O próprio inventor escreve que o dispositivo é projetado para adicionar o número n-t de voltagens e é possível de forma semelhante para modificar os computadores existentes. Uma característica da novidade foi a introdução de feedback para reduzir a resistência de entrada do sistema( o que simplificará sua coordenação com outras partes do circuito elétrico e aumentará o ganho).
Antes do somatório ocorrer gradualmente, a única voltagem possuía dois polos, o que complicou muito a coordenação. Esta patente lida com um dispositivo em que tudo é simplificado. Cada uma das tensões somadas em um dos polos adquire um fio comum, e o coeficiente de transmissão do sistema pode ser ajustado ajustando a profundidade do feedback. A única limitação é a corrente contínua, nem sempre capaz de superar o vácuo.
O desenvolvimento do Bell Labs leva à criação de um protótipo do sistema de computador de mira, codinome T10.O sistema( Patente dos EUA 2493183) foi testado com sucesso em dezembro de 1941 e foi desenvolvido ativamente no futuro. A gama de uso de amplificadores operacionais foi significativamente ampliada. Deve-se notar que a publicação da patente Shvarttsel, declarada em 1º de maio de 1941, ocorreu somente após o fim da Segunda Guerra Mundial( 1946).Então, os aliados consideraram essa inovação importante. Além disso, a especificação do sistema de orientação em si estava praticamente em acesso aberto( para agentes inimigos).
Amplificador Shvartzel
Surge a pergunta: por que o amplificador operacional Shvartzel inverte o sinal? Acreditamos - embora não seja diretamente declarado em qualquer lugar - que isso seja feito para a conveniência dos pilotos. Na aviação, é costume usar a inversão da aeronave em ângulo de inclinação. Assim, os projetistas queriam simplificar o circuito elétrico e, no futuro, usar amplificadores operacionais como parte da eletrônica embarcada. A inversão do ângulo de inclinação é adotada para compensar as características fisiológicas do piloto como representante do Homo Sapiens. Se você fizer o contrário, em baixas altitudes o avião cairá no chão. Isso foi discutido nas lições de física nas classes médias das escolas secundárias.
A próxima pergunta: por que o amplificador operacional Schwartzel soma três sinais na entrada? Acreditamos que a resposta está na área das limitações funcionais da automação. A orientação inicial para o alvo é feita manualmente pelo operador, então o sistema óptico fornece ao dispositivo de computação as informações sobre as quais o refinamento é realizado. Talvez com uma vantagem sobre a velocidade e alcance do alvo. Como resultado, o sinal da alavanca de controle deve ser somado aos comandos do transmissor. A terceira entrada é necessária para o feedback, que dará ao movimento do tronco a suavidade desejada e eliminará vários excessos.
Como resultado, o amplificador operacional resolveu as tarefas e, ao mesmo tempo, obteve 95 dB( 65.000 vezes) e carregou uma carga incrível de 6 kΩ( a entrada de um alto-falante moderno é de cem Ohm - para comparação).E em abril de 1947, os principais projetistas do sistema de orientação T9, Lovell, Parkinson e Kun, receberam uma medalha por serviços prestados à pátria, estabelecida pelo presidente para o período da Segunda Guerra Mundial( de 8 de setembro de 1939) até 1952 inclusive. Este é o maior prêmio para civis que contribuíram para a vitória sobre o inimigo.
A probabilidade de atingir o alvo T9 foi de 90%.Assim, o pensamento da existência de tal computador por um longo tempo desencorajou o inimigo de atacar os Estados Unidos e seus aliados. A ferramenta foi imediatamente declarada o meio mais importante de proteger a liberdade e a democracia no mundo.
Dispositivo para amplificação
Desenvolvimento de amplificadores operacionais
Mais trabalho na área de desenvolvimento de amplificadores operacionais mudou( 1947) para a Universidade de Columbia, em Nova York. As atividades foram monitoradas e dirigidas pelo professor John Ragazzini. No curso do desenvolvimento, um esquema de dois triodes foi encontrado( havia três antes deles), mas por razões compreensíveis, há pouca informação sobre o projeto até hoje. O autor é chamado Julie Loeb. A carga do circuito aumentou várias vezes e chegou a 300 kΩ.
É no esquema de Julie Loeb que aparecem duas entradas em vez de uma inversora: invertendo e não invertendo. Ainda é possível adicionar estresse em cada um deles. Esta qualidade é usada hoje - nenhuma nova foi inventada. A entrada diferencial compensa o desvio de ruído, mas eles permanecem grandes em caso de necessidade de amplificar sinais sub-milivolt. Imprecisões na perda térmica do ponto de operação e flutuações de longo prazo são introduzidas. A dificuldade é resolvida pelo uso de um chopper( corte a tensão em pulsos de alta frequência).Esquema proposto em 1949 por Edwin Goldberg. O desvio
é reduzido pela taxa de transferência do picador. Uma vantagem secundária é a possibilidade de usar baixas frequências, incluindo tensão constante. Devido à presença de feedback, o chopper pode fornecer um ganho de até 100 dB e, no total, o circuito de Goldberg fornece 163( 150.000.000 de vezes).A novidade teve várias limitações:
- Os primeiros esquemas com choppers funcionaram apenas no modo de inversão. A implementação da habitual necessária inclusão no esquema muitas cascatas.
- Na época de 1949 não havia conceito de interruptores de energia. O corte foi feito com dispositivos mecânicos. A situação já foi resolvida na tecnologia de semicondutores, e hoje cada fonte de alimentação de comutação inclui um chopper em um tiristor( triac).
Semicondutores em amplificadores operacionais
Na segunda metade dos anos 40 surgem transistores bipolares e de efeito de campo, e em 1958, Jack Kilby, da Texas Instruments, inventou circuitos integrados. O processo planar de montagem em um cristal de várias configurações revolucionou o campo de amplificadores operacionais. Como resultado, o início dos anos 60 fornece novos dispositivos com fonte de alimentação da ordem de 10 a 15 V em vez de 350 que existiam anteriormente. Os primeiros circuitos integrados mostraram-se desajeitados e representavam uma pequena placa com elementos montados( e transistores) inundados com composto. Ganho sofrido, resistência à carga mal alcançou 500 ohms.
Mas o equipamento não ficou parado. Por exemplo, a ponte do varactor tornou possível amplificar sinais CC muito pequenos para um valor grande. O que tornou possível controlar vários mecanismos diretamente. Hoje, a maioria dos amplificadores operacionais são cristais semicondutores com elementos ativos e passivos formados neles.
Em 1928, o feedback tão prevalente hoje não era conhecido. E quando o empregado da Bell Labs, Harold Black, publicou a patente pela primeira vez, acabou sendo pouco útil. Demorou até 9 anos( Patente dos EUA 2.102.671) para trazer a invenção à mente. Como muitas vezes acontece com grandes invenções, muitas pessoas em diferentes partes da Terra trabalhavam no mesmo assunto. Os cientistas incluem:
- Paul Voight( Patente do Reino Unido 231792, 1924).
- D. D. Blumlein( Patente UK 425553, 1933).
- Empresa conhecida N.V.Philips.
Quando Black desenvolveu sua idéia, ele tentou resolver a situação com repetidores de sinal nas linhas de comunicação. Um triodo a vácuo deu um ganho de no máximo 1 dB exclusivamente em condições favoráveis. Foram necessárias centenas, milhares e essa banda precisava de energia e exigia a atenção dos atendentes. Um amplificador com feedback tornou-se uma invenção impressionante - o ganho aumentou muitas vezes e, ao mesmo tempo, aumentou a estabilidade( critério de Nyquist).A empresa Bell Labs literalmente chateado com a idéia disse.
Harold Black
O desenvolvimento da ideia de Black são as patentes US Patent 1915440( Harry Nyquist) e US Patent 2123178( Hendrick Bode).Nyquist jogou a idéia do trabalho de tubos de vácuo com corrente contínua, que novamente expandiu o escopo de aplicabilidade do feedback. Em paralelo, houve o desenvolvimento de amplificadores diferenciais - o sinal de trabalho para eles é a diferença entre as duas entradas. Os estágios de desenvolvimento são notados:
- B.H.K. Matthews inventou uma entrada diferencial para um amplificador em 1934.Desvantagem: no circuito com catodos comuns eles são conectados diretamente ao pólo negativo da fonte de energia, o que reduz diretamente o ganho.
- Alan Blumlein foi um pouco mais longe na Patente do Reino Unido 482470( 1936).Catodos comuns separados do resistor de aterramento.
- Em 1937, Franklin Offner introduziu o feedback no design, o que reduziu ligeiramente o ganho, mas aumentou a estabilidade do sistema. No ano mencionado, Otto Schmitt criou um esquema para pentodos, onde essa deficiência estava ausente.
- Em 1938, JF Tonnis introduziu o conceito de um par diferencial de cauda longa para tubos de vácuo. Neste caso, uma fonte de energia é adicionada entre o terra e o resistor comum de alta resistência( em Tonnis - menos 90 V), o que reduz adicionalmente o potencial do cátodo.
- Otto Schmitt em 1938 também discute o par diferencial de cauda longa, mas já como um inversor de fase( uma entrada é aterrada).
- Harold Goldberg em 1940 inventa o esquema de amplificador diferencial de vários estágios de baixo ruído( cerca de 2 µV).Posteriormente, introduz-se um pentodo no circuito para fornecer a corrente de polarização desejada. Amplificadores operacionais
: Os primeiros passarinhos do
O foco do desenvolvimento de amplificadores operacionais na década de 30 foi no campo dos dispositivos de computação analógica. Construções semelhantes foram discutidas no final dos anos 30 e em 1940 por George Philbrick e Per Holst, faltando o último passo - um grande ganho. O uso de energia bipolar permitiu trabalhar os sinais de incompatibilidade em ambas as direções para um objetivo preciso. O sistema M9 serviu como uma unidade operacional de um sistema de computador que calcula a trajetória dos projéteis para atingir alvos aéreos.
Os detalhes da pesquisa são descritos em Higgins 'Defense Research no Bell Labs: Electrical Computers for Fire Control.
Assim, Karl Schwartzel na patente de 1941 discute os primeiros opamps. Na documentação, a invenção é chamada de soma. A origem do nome é trivial. O próprio inventor escreve que o dispositivo é projetado para adicionar o número n-t de voltagens e é possível de forma semelhante para modificar os computadores existentes. Uma característica da novidade foi a introdução de feedback para reduzir a resistência de entrada do sistema( o que simplificará sua coordenação com outras partes do circuito elétrico e aumentará o ganho).
Antes do somatório ocorrer gradualmente, a única voltagem possuía dois polos, o que complicou muito a coordenação. Esta patente lida com um dispositivo em que tudo é simplificado. Cada uma das tensões somadas em um dos polos adquire um fio comum, e o coeficiente de transmissão do sistema pode ser ajustado ajustando a profundidade do feedback. A única limitação é a corrente contínua, nem sempre capaz de superar o vácuo.
O desenvolvimento do Bell Labs leva à criação de um protótipo do sistema de computador de mira, codinome T10.O sistema( Patente dos EUA 2493183) foi testado com sucesso em dezembro de 1941 e foi desenvolvido ativamente no futuro. A gama de uso de amplificadores operacionais foi significativamente ampliada. Deve-se notar que a publicação da patente Shvarttsel, declarada em 1º de maio de 1941, ocorreu somente após o fim da Segunda Guerra Mundial( 1946).Então, os aliados consideraram essa inovação importante. Além disso, a especificação do sistema de orientação em si estava praticamente em acesso aberto( para agentes inimigos).
Amplificador Shvartzel
Surge a pergunta: por que o amplificador operacional Shvartzel inverte o sinal? Acreditamos - embora não seja diretamente declarado em qualquer lugar - que isso seja feito para a conveniência dos pilotos. Na aviação, é costume usar a inversão da aeronave em ângulo de inclinação. Assim, os projetistas queriam simplificar o circuito elétrico e, no futuro, usar amplificadores operacionais como parte da eletrônica embarcada. A inversão do ângulo de inclinação é adotada para compensar as características fisiológicas do piloto como representante do Homo Sapiens. Se você fizer o contrário, em baixas altitudes o avião cairá no chão. Isso foi discutido nas lições de física nas classes médias das escolas secundárias.
A próxima pergunta: por que o amplificador operacional Schwartzel soma três sinais na entrada? Acreditamos que a resposta está na área das limitações funcionais da automação. A orientação inicial para o alvo é feita manualmente pelo operador, então o sistema óptico fornece ao dispositivo de computação as informações sobre as quais o refinamento é realizado. Talvez com uma vantagem sobre a velocidade e alcance do alvo. Como resultado, o sinal da alavanca de controle deve ser somado aos comandos do transmissor. A terceira entrada é necessária para o feedback, que dará ao movimento do tronco a suavidade desejada e eliminará vários excessos.
Como resultado, o amplificador operacional resolveu as tarefas e, ao mesmo tempo, obteve 95 dB( 65.000 vezes) e carregou uma carga incrível de 6 kΩ( a entrada de um alto-falante moderno é de cem Ohm - para comparação).E em abril de 1947, os principais projetistas do sistema de orientação T9, Lovell, Parkinson e Kun, receberam uma medalha por serviços prestados à pátria, estabelecida pelo presidente para o período da Segunda Guerra Mundial( de 8 de setembro de 1939) até 1952 inclusive. Este é o maior prêmio para civis que contribuíram para a vitória sobre o inimigo.
A probabilidade de atingir o alvo T9 foi de 90%.Assim, o pensamento da existência de tal computador por um longo tempo desencorajou o inimigo de atacar os Estados Unidos e seus aliados. A ferramenta foi imediatamente declarada o meio mais importante de proteger a liberdade e a democracia no mundo.
Dispositivo para amplificação
Desenvolvimento de amplificadores operacionais
Mais trabalho na área de desenvolvimento de amplificadores operacionais mudou( 1947) para a Universidade de Columbia, em Nova York. As atividades foram monitoradas e dirigidas pelo professor John Ragazzini. No curso do desenvolvimento, um esquema de dois triodes foi encontrado( havia três antes deles), mas por razões compreensíveis, há pouca informação sobre o projeto até hoje. O autor é chamado Julie Loeb. A carga do circuito aumentou várias vezes e chegou a 300 kΩ.
É no esquema de Julie Loeb que aparecem duas entradas em vez de uma inversora: invertendo e não invertendo. Ainda é possível adicionar estresse em cada um deles. Esta qualidade é usada hoje - nenhuma nova foi inventada. A entrada diferencial compensa o desvio de ruído, mas eles permanecem grandes em caso de necessidade de amplificar sinais sub-milivolt. Imprecisões na perda térmica do ponto de operação e flutuações de longo prazo são introduzidas. A dificuldade é resolvida pelo uso de um chopper( corte a tensão em pulsos de alta frequência).Esquema proposto em 1949 por Edwin Goldberg. O desvio
é reduzido pela taxa de transferência do picador. Uma vantagem secundária é a possibilidade de usar baixas frequências, incluindo tensão constante. Devido à presença de feedback, o chopper pode fornecer um ganho de até 100 dB e, no total, o circuito de Goldberg fornece 163( 150.000.000 de vezes).A novidade teve várias limitações:
- Os primeiros esquemas com choppers funcionaram apenas no modo de inversão. A implementação da habitual necessária inclusão no esquema muitas cascatas.
- Na época de 1949 não havia conceito de interruptores de energia. O corte foi feito com dispositivos mecânicos. A situação já foi resolvida na tecnologia de semicondutores, e hoje cada fonte de alimentação de comutação inclui um chopper em um tiristor( triac).
Semicondutores em amplificadores operacionais
Na segunda metade dos anos 40 surgem transistores bipolares e de efeito de campo, e em 1958, Jack Kilby, da Texas Instruments, inventou circuitos integrados. O processo planar de montagem em um cristal de várias configurações revolucionou o campo de amplificadores operacionais. Como resultado, o início dos anos 60 fornece novos dispositivos com fonte de alimentação da ordem de 10 a 15 V em vez de 350 que existiam anteriormente. Os primeiros circuitos integrados mostraram-se desajeitados e representavam uma pequena placa com elementos montados( e transistores) inundados com composto. Ganho sofrido, resistência à carga mal alcançou 500 ohms.
Mas o equipamento não ficou parado. Por exemplo, a ponte do varactor tornou possível amplificar sinais CC muito pequenos para um valor grande. O que tornou possível controlar vários mecanismos diretamente. Hoje, a maioria dos amplificadores operacionais são cristais semicondutores com elementos ativos e passivos formados neles.
