Amplificator operațional

Un amplificator operațional este un dispozitiv electronic cu feedback, cu sarcina de a crește în mod repetat diferența de semnal dintre cele două intrări. Inițial, proiectul a fost folosit de Bell Labs pentru a conduce un pistol anti-aeronavă în sistemul T9.De aici și numele.În limba engleză, operațional este tradus în două moduri: operatorul și în același timp succes( de lucru, eficient).Și eficiența sistemului T9 astăzi este fără îndoială.

Cum a fost creat amplificatorul operațional

Dezvoltarea lămpilor electronice

Povestea începe cu nașterea secolului al XX-lea( 1904), când Fleming a îmbunătățit lampa electronică Edison( vezi lampa incandescentă), primind prima diodă vidă.În detaliu, brevetul din 1883 nu a devenit prima mențiune a emisiei termionice. Un deceniu de la data menționată anterior, Frederic Guthrie a menționat deja acest fenomen( vezi Magnetism and Electricity, 1873).În 1906, datorită lui Lee De Forest, a apărut primul triod vid - un dispozitiv care face parte din structura primelor amplificatoare operaționale.Între filamentul existent( catod) și un disc potențial pozitiv( anod), a fost adăugată o rețea, semnalul asupra căruia a influențat în mod activ trecerea electronilor prin spațiu.

Amplificatoare diferențiale și feedback

Un nou pas a fost dezvoltarea, la începutul anilor 30, a tehnologiei Bell Labs a amplificatoarelor cu feedback, care conduce direct la brevetul US 2401779 Karl Schwartzel Jr., declarat 1 mai 1941.

În 1928, feedback-ul atât de răspândit astăzi nu a fost cunoscut.Și când angajatul Bell Labs, Harold Black, a publicat pentru prima dată brevetul, sa dovedit a fi de folos. A fost nevoie de 9 ani( brevetul US 2.102.671) pentru a aduce invenția în minte. Așa cum se întâmplă deseori cu mari invenții, mulți oameni din diferite părți ale Pământului au lucrat pe același subiect. Oamenii de știință includ:

1. Paul Voight( Brevetul UK 231792, 1924).
2. A.D. Blumlein( brevetul UK 425553, 1933).
3. Compania cunoscută N.V.Philips.

Atunci când Black și-a dezvoltat ideea, el a încercat să rezolve situația cu repere de semnal în liniile de comunicare. Un triod vid a dat un câștig de maxim 1 dB exclusiv în condiții favorabile. A fost nevoie de sute, mii de oameni, iar această bandă avea nevoie de energie și a cerut atenția participanților. Un amplificator cu feedback a devenit o invenție uimitoare - câștigul a crescut de mai multe ori, în același timp crescând stabilitatea( criteriile Nyquist).Compania Bell Labs a supărat literalmente ideea menționată.

Dezvoltarea ideii lui Black este brevetul US 1915440( Harry Nyquist) și brevetul US 2123178( Hendrick Bode).Nyquist a aruncat ideea muncii tuburilor vidate cu curent continuu, care a extins din nou domeniul de aplicare al aplicabilității feedback-ului.În paralel, a existat dezvoltarea amplificatoarelor diferențiale - semnalul de lucru pentru acestea este diferența dintre cele două intrări. Etapele dezvoltării sunt notate:

• B.H.K. Matthews a inventat o intrare diferențială pentru un amplificator în 1934.Dezavantaj: în circuitul cu catozi comune acestea sunt direct conectate la polul negativ al sursei de alimentare, ceea ce reduce direct câștigul.
• Alan Blumlein a mers mai departe în brevetul britanic 482470( 1936).Se separă catodii obișnuiți de rezistența la sol.
• În 1937, Franklin Offner a introdus feedback-ul în design, care a redus ușor câștigul, dar a crescut stabilitatea sistemului.În anul menționat, Otto Schmitt a prezentat o schemă pentru pentode, unde acest deficit a fost absent.
• În 1938, JF Tonnis a introdus conceptul de pereche diferențială de lungă coadă pentru tuburile vidate.În acest caz, se adaugă o sursă de energie între sol și rezistența comună de înaltă rezistență( în Tonnis - minus 90 V), ceea ce reduce în plus potențialul catodului.
• Otto Schmitt în 1938 discută, de asemenea, perechea diferențială cu coadă lungă, dar deja ca invertor de fază( o intrare este legată la pământ).
• Harold Goldberg în 1940 inventează schema unui amplificator diferențial în mai multe trepte cu zgomot redus( aproximativ 2 μV).Mai târziu, introduce un pentod în circuit pentru a furniza curentul de părtinire dorit.

Amplificatoare operaționale: Primele Birdies ale

Obiectivul dezvoltării amplificatoarelor operaționale în anii '30 a fost în domeniul dispozitivelor de calcul analogic. Construcții similare au fost discutate la sfârșitul anilor 30 și în 1940 de George Philbrick și Per Holst, lipsind ultimul pas - un câștig mare. Utilizarea puterii bipolare permite să se realizeze semnalele de nepotrivire în ambele direcții pentru o direcționare precisă.Sistemul M9 a servit ca unitate de operare a unui sistem informatic care calculează traiectoria proiectilelor pentru a atinge obiectivele aerului.

Detaliile cercetării sunt descrise în Cercetarea în domeniul Apărării Higgins de la Bell Labs: Calculatoare electrice pentru controlul incendiului.

Deci, Karl Schwartzel în brevetul din 1941 discută primele opampsuri.În documentație, invenția se numește sumare. Originea numelui este trivial. Inventatorul însuși scrie că dispozitivul este proiectat să adauge numărul n de tensiuni și este posibil, în mod similar, să modifice computerele existente. O caracteristică a noutății a fost introducerea feedback-ului pentru a reduce rezistența de intrare a sistemului( ceea ce va simplifica coordonarea acestuia cu alte părți ale circuitului electric și va crește câștigul).

Înainte de sumare a avut loc treptat, singura tensiune a avut doi poli, ceea ce a complicat foarte mult coordonarea. Acest brevet se ocupă de un dispozitiv în care totul este simplificat. Fiecare dintre tensiunile însumate la unul dintre poli dobândește un fir comun, iar coeficientul de transmisie al sistemului poate fi reglat prin ajustarea adâncimii feedback-ului. Singura limitare este curentul direct, care nu este întotdeauna capabil să depășească vidul.

Dezvoltarea laboratoarelor Bell Labs duce la crearea unui prototip al sistemului informatizat, codificat T10.Sistemul( brevetul US 2493183) a fost testat cu succes în decembrie 1941 și a fost dezvoltat activ în viitor. Gama de utilizare a amplificatoarelor operaționale a fost extinsă semnificativ. Trebuie remarcat faptul că publicarea brevetului Shvarttsel, declarată 1 mai 1941, a avut loc numai după încheierea celui de-al doilea război mondial( 1946).Aliații consideră că această inovație este importantă.Mai mult decât atât, specificația pentru sistemul de orientare în sine a fost practic în acces liber( pentru agenții inamici).

Se ridică întrebarea: de ce amplificatorul operațional Shvartzel inversează semnalul? Noi credem - desi nu este direct mentionat nicaieri - ca acest lucru se face pentru comoditatea pilotilor.În aviație, este obișnuit să se folosească inversarea aeronavei în unghi de înclinare. Astfel, designerii au dorit să simplifice circuitul electric și, în viitor, să utilizeze amplificatoare operaționale ca parte a electronicii de la bord. Inversarea unghiului de înclinare este adoptată pentru a compensa caracteristicile fiziologice ale pilotului ca reprezentant al lui Homo Sapiens. Dacă faceți contrariul, la altitudini joase, avionul va cădea la pământ. Acest lucru a fost discutat la lecțiile de fizică din clasele de mijloc ale școlilor secundare.

Următoarea întrebare: de ce amplificatorul operațional Schwartzel adaugă până la trei semnale la intrare? Credem că răspunsul constă în domeniul limitărilor funcționale de automatizare. Orientarea inițială către țintă se face manual de către operator, apoi sistemul optic furnizează dispozitivului de calcul informații cu privire la care este efectuată rafinarea. Poate cu un avans în ceea ce privește viteza și intervalul țintă.Ca rezultat, semnalul de la mânerul de comandă trebuie să fie însumat cu comenzile transmițătorului. Cea de-a treia intrare este necesară pentru feedback, ceea ce va da mișcării trunchiului dorința de netezire și va elimina excesele diferite.

Ca rezultat, amplificatorul operațional a rezolvat sarcini și, în același timp, a câștigat 95 dB( 65.000 de ori) și a avut o încărcare incredibilă de 6 kΩ( intrarea unui difuzor modern este de o sută de ohmi - pentru comparație).Iar în aprilie 1947, principalii designeri ai sistemului de orientare T9, Lovell, Parkinson și Kun, au primit o medalie pentru serviciile patriei, înființată de președinte pentru perioada celui de-al doilea război mondial( din 8 septembrie 1939) până în 1952 inclusiv. Acesta este cel mai înalt premiu pentru civilii care au contribuit la victoria asupra inamicului.

Probabilitatea de a atinge ținta T9 a fost de 90%.Deci, gândul existenței unui astfel de calculator pentru mult timp a descurajat inamicul să atace Statele Unite și aliații. Instrumentul a fost imediat declarat cel mai important mijloc de a proteja libertatea și democrația în lume.

Dezvoltarea amplificatoarelor operaționale

În continuare lucrează în domeniul dezvoltării amplificatoarelor operaționale mutate( 1947) la Universitatea Columbia din New York. Activitățile au fost monitorizate și conduse de profesorul John Ragazzini.În cursul dezvoltării, a fost găsită o schemă de două triode( au existat trei în fața lor), dar din motive de înțeles, există puține informații despre design până în ziua de azi. Autorul este numit Julie Loeb. Sarcina circuitului a crescut de mai multe ori și sa ridicat la 300 kΩ.

Este în schema lui Julie Loeb că două intrări apar în loc de una inversoare: inversoare și nu inversoare. Este totuși posibil să adăugați stres pe fiecare. Această calitate este folosită astăzi - nu a fost inventată nici una nouă.Intrarea diferențială compensează zgomotul, dar rămâne mare în cazul amplificării semnalelor sub-milivolt. Introduceți o eroare la plecarea termică a punctului de operare și la fluctuațiile pe termen lung. Dificultatea este rezolvată folosind un elicopter( tăierea tensiunii în impulsuri de înaltă frecvență).Schema propusă în 1949 de Edwin Goldberg.

Drift este redus prin raportul de transfer al elicopterului. Un avantaj lateral este posibilitatea utilizării unor frecvențe joase, inclusiv a unei tensiuni constante. Datorită prezenței feedbackului, elicopterul poate da un câștig de până la 100 dB, iar în total, circuitul Goldberg oferă 163( 150.000.000 de ori).Noutatea a avut mai multe limitări:

1. Primele scheme cu choppers au funcționat numai în modul invers. Punerea în aplicare a includerii obișnuite solicitate în schemă prea multe cascade.
2. La 1949 nu a existat niciun concept de comutatoare de putere. Tăierea a fost făcută cu dispozitive mecanice. Situația a fost deja rezolvată în tehnologia semiconductoarelor și astăzi fiecare sursă de alimentare de comutare include un elicopter pe un tiristor( triac).

Semiconductori în amplificatoare operaționale

În a doua jumătate a anilor '40, tranzistorii bipolari și cu efect de câmp au apărut pe scena, iar în 1958, Jack Kilby de la Texas Instruments a inventat circuite integrate. Procesul planar de montare pe un cristal de diferite configurații a revoluționat domeniul amplificatoarelor operaționale. Ca rezultat, începutul anilor '60 dă noi dispozitive cu alimentare de ordinul a 10-15 V în loc de 350 care au existat înainte. Primele circuite integrate s-au dovedit a fi stîngace și au reprezentat o placă mică cu elemente montate( și tranzistoare) inundate cu compuși. Creștere suferită, rezistența la sarcină abia atinge 500 ohmi.

Dar echipamentul nu sa oprit. De exemplu, podul varactor a făcut posibilă amplificarea unor semnale DC foarte mici la o valoare mare. Ceea ce a făcut posibilă controlul direct al diferitelor mecanisme. Astăzi, majoritatea amplificatoarelor operaționale sunt cristalele semiconductoare cu elemente active și pasive formate pe ele.