Operačný zosilňovač

Operačný zosilňovač je elektronické zariadenie so spätnou väzbou s úlohou opakovane zvyšovať rozdiel signálov medzi dvoma vstupmi. Spočiatku dizajn bol použitý spoločnosťou Bell Labs na riadenie protileteckej zbrane v systéme T9.Preto meno. V anglickom jazyku je prevádzková služba preložená dvoma spôsobmi: prevádzkovateľom a zároveň úspešným( pracujúcim, efektívnym).Účinnosť systému T9 je dnes nepochybná.

Ako bol vytvorený operačný zosilňovač

Vývoj elektronických svetiel

Príbeh začína dvadsiatym storočím( 1904), keď Fleming zdokonalila elektronickú lampu Edison( pozri žiarovku), keď dostala prvú vákuovú diódu. Podrobne sa patent z roku 1883 nestal prvou zmienkou o termionických emisiách. Dekáda už spomenutého dátumu už Frederic Guthrie spomenul tento jav( pozri Magnetism and Electricity, 1873).V roku 1906 sa vďaka Lee De Forest objavila prvá vákuová trióda - zariadenie, ktoré je štrukturálne súčasťou prvých operačných zosilňovačov. Medzi existujúcim vláknom( katódu) a pozitívnym potenciálnym diskom( anódou) bola pridaná mriežka, signál, na ktorom aktívne ovplyvňoval priechod elektrónov v priestore.

Diferenciálne zosilňovače a spätná väzba

Nový krok bol vývoj technológie Bell Labs zosilňovačov so spätnou väzbou na začiatku 30. rokov, ktorý priamo vedie k patentu 2401779 Karla Schwartzla Jr, vyhláseného 1. mája 1941.

V roku 1928 nebolo známe spätná väzba, ktorá sa dnes vyskytovala. A keď zamestnanec Bell Labs Harold Black uverejnil patent po prvýkrát, ukázalo sa, že je málo použiteľné.Trvalo 9 rokov( US patent 2 102 671), aby vynález uviedol do úvahy. Ako sa často stáva s veľkými vynálezmi, veľa ľudí v rôznych častiach Zeme pracovalo na rovnakom predmete. Vedci zahŕňajú:

1. Paul Voight( britský patent 231792, 1924).
2. A.D. Blumlein( britský patent 425553, 1933).
3. Známa spoločnosť N.V.Philips.

Keď Black vyvinul svoju myšlienku, pokúsil sa vyriešiť situáciu so signálnymi zosilňovačmi v komunikačných linkách. Jedna vákuová trióda dosiahla maximálny prírastok 1 dB výhradne za výhodných podmienok. Vyžadovalo si stovky, tisíce a táto kapela potrebovala energiu a požadovala pozornosť sprievodcov. Zosilňovač so spätnou väzbou sa stal ohromujúcim vynálezom - zisk sa mnohokrát zvýšil a súčasne zvýšil stabilitu( kritériá Nyquist).Spoločnosť Bell Labs doslova na túto myšlienku naštvala.

Vývoj myšlienky Black je patenty US 1915440( Harry Nyquist) a US patent 2123178( Hendrick Bode).Nyquist hodil myšlienku práce vákuových trubíc s jednosmerným prúdom, čo opäť rozšírilo rozsah použiteľnosti spätnej väzby. Súčasne sa rozvíjali diferenciálne zosilňovače - pracovný signál pre nich je rozdiel medzi dvoma vstupmi. Stupne vývoja sú zaznamenané:

• B.H.K. Matthews vynašiel diferenciálny vstup pre zosilňovač v roku 1934.Nevýhoda: v obvode so spoločnými katódami sú priamo spojené s negatívnym pólom zdroja energie, čo priamo znižuje zisk.
• Alan Blumlein šiel trochu ďalej v britskom patente 482470( 1936).Oddelené spoločné katódy od zemného odporu.
• V roku 1937 predstavil Franklin Offner spätnú väzbu do dizajnu, ktorý mierne znížil zisk, ale zvýšil stabilitu systému. V uvedenom roku Otto Schmitt prišiel s programom pre pentódy, kde tento nedostatok chýbal.
• V roku 1938 predstavil JF Tonnis koncept dlho-zadného diferenčného páru pre vákuové trubice. V tomto prípade sa medzi zem a spoločný odpor vysokého odporu( v Tonnis - mínus 90 V) pridáva zdroj energie, ktorý navyše znižuje katódový potenciál.
• Otto Schmitt v roku 1938 diskutuje aj o dlhom konci diferenčného páru, ale už o fázovom meniči( jeden vstup je uzemnený).
• Harold Goldberg v roku 1940 vyvinutie schémy multifázového diferenciálneho zosilňovača s nízkym šumom( približne 2 μV).Neskôr zavádza pentódu do obvodu, aby poskytol požadovaný skreslený prúd. Operačné zosilňovače

: Prví Birdies z

Zameranie vývoja operačných zosilňovačov v 30. rokoch bolo v oblasti analógových výpočtových zariadení.Podobné konštrukcie sa diskutovali koncom 30-tych rokov a v roku 1940 Georgeom Philbrickom a Per Holstom, pričom posledný krok nemal veľký zisk. Použitie bipolárneho napájania umožnilo spracovanie signálov nesúhlasu v oboch smeroch na presné zameranie. Systém M9 slúžil ako operačná jednotka počítačového systému, ktorý vypočítava trajektóriu projektilov na zasiahnutie vzdušných cieľov.

Podrobné informácie o výskume sú popísané vo Výskumoch obrany spoločnosti Higgins v spoločnosti Bell Labs: Elektrické počítače pre kontrolu požiaru.

Takže v roku 1941 Karl Schwartzel diskutuje o prvých opampoch. V dokumentácii sa vynález nazýva súčet. Pôvod názvu je triviálny. Samotný vynálezca píše, že zariadenie je určené na pridanie n-tého počtu napätí a je možné podobným spôsobom modifikovať existujúce počítače. Funkciou novinky bolo zavedenie spätnej väzby na zníženie vstupného odporu systému( čo zjednoduší jeho koordináciu s inými časťami elektrického obvodu a zvýši zisk).

Predtým, ako sa sumarizácia vyskytla postupne, jediné napätie malo dva póly, čo značne komplikovalo koordináciu. Tento patent sa zaoberá zariadením, v ktorom je všetko zjednodušené.Každé zo súčtových napätí na jednom z pólov získava spoločný drôt a koeficient prenosu systému sa dá upraviť nastavením hĺbky spätnej väzby. Jediným obmedzením je jednosmerný prúd, nie vždy schopný prekonať vákuum.

Vývoj Bell Labs vedie k vytvoreniu prototypu cieľového počítačového systému s názvom T10.Systém( US patent 2493183) bol úspešne testovaný v decembri 1941 a bol aktívne vyvinutý v budúcnosti. Rozsah použitia operačných zosilňovačov v ňom bol výrazne rozšírený.Treba poznamenať, že publikácia patentu Shvarttsel, vyhlásená 1. mája 1941, sa vyskytla až po skončení druhej svetovej vojny( 1946).Takže spojenci považovali túto inováciu za dôležitú.Navyše špecifikácia samotného navádzacieho systému bola prakticky v otvorenom prístupe( pre nepriateľských agentov).

Nastáva otázka: Prečo operačný zosilňovač Shvartzel zvráti signál? Veríme - aj keď nie je nikde priamo uvedené - že sa to robí pre pohodlie pilotov. V letectve je zvykom používať inverzia lietadla v uhle stúpania. Projektanti teda chcú zjednodušiť elektrický obvod a v budúcnosti používať operačné zosilňovače ako súčasť palubnej elektroniky. Inverzia uhlového smeru je prijatá na kompenzáciu fyziologických charakteristík pilota ako zástupcu spoločnosti Homo Sapiens. Ak urobíte opak, v nízkych nadmorských výškach, lietadlo padne na zem. Toto bolo prediskutované na hodinách fyziky v stredných triedach stredných škôl.

Nasledujúca otázka: Prečo operačný zosilňovač Schwartzel pridáva až tri signály na vstup? Veríme, že odpoveď spočíva v oblasti funkčných obmedzení automatizácie. Počiatočné usmernenie k cieľu je vykonané manuálne operátorom, potom optický systém poskytuje počítačovému zariadeniu informácie, na ktoré sa vykonáva vylepšenie. Možno s náskokom na rýchlosť a rozsah cieľa. V dôsledku toho by mal byť signál z ovládacej rukoväte zhrnutý pomocou príkazov vysielača. Tretí vstup je potrebný pre spätnú väzbu, ktorá dá pohyb trupu požadovanú hladkosť a eliminuje rôzne prekročenie.

V dôsledku toho operačný zosilňovač vyriešil úlohy a zároveň získal 95 dB( 65 000 krát) a nesl neuveriteľnú záťaž 6 kΩ( vstup moderného reproduktora je sto Ohm - na porovnanie).A v apríli 1947 dostali hlavní dizajnéri systému vedenia T9, Lovell, Parkinson a Kun, medailu za služby vlasti, ktorú založil prezident na obdobie druhej svetovej vojny( od 8. septembra 1939) do roku 1952 vrátane. Toto je najvyššie ocenenie pre civilistov, ktorí prispeli k víťazstvu nad nepriateľom.

Pravdepodobnosť zasiahnutia cieľa T9 bola 90%.Takže myšlienka existencie takéhoto počítača dlho odradila nepriateľa od útoku na Spojené štáty a spojencov. Nástroj bol okamžite vyhlásený za najdôležitejší prostriedok na ochranu slobody a demokracie vo svete.

Vývoj operačných zosilňovačov

Ďalšia práca v oblasti vývoja operačných zosilňovačov sa presťahovala( 1947) na Columbia University v New Yorku.Činnosti sledoval a riadil profesor John Ragazzini. V priebehu vývoja bola nájdená schéma dvoch triód( pred nimi boli tri), ale z pochopiteľných dôvodov existuje len málo informácií o dizajne dodnes. Autorka sa volá Julie Loeb. Zaťaženie obvodu sa niekoľkokrát zvýšilo a dosiahlo 300 kΩ.

Je to v systéme Julie Loeb, že dva vstupy sa objavujú namiesto jedného invertujúceho: prevrátením a nie obrátením. Stále je možné pridať stres na každý.Táto kvalita sa používa dnes - nevytvorila sa nová.Diferenciálny vstup kompenzuje odchýlku šumu, ale zostáva veľký v prípade potreby amplifikácie submilivoltových signálov. Predstavte chybu v termickom odchode prevádzky a dlhodobých výkyvoch. Obtiažnosť je riešená použitím chopperu( rezanie napätia na vysokofrekvenčné impulzy).Schéma navrhla v roku 1949 Edwin Goldberg.

Drift sa znižuje pomerom prenosu vrtáka. Bočnou výhodou je možnosť použitia nízkych frekvencií vrátane konštantného napätia. Vzhľadom na prítomnosť spätnej väzby môže helikoptéra dosiahnuť zisk až do 100 dB a celkový okruh Goldberg poskytuje 163( 150 000 000 krát).Novinka mala niekoľko obmedzení:

1. Prvé schémy s vrtákmi pracovali iba v obrátenom režime. Zavedenie zvyčajne požadovaného zaradenia do schémy príliš veľa kaskád.
2. V čase 1949 neexistovala koncepcia prepínačov napájania. Rezanie bolo vykonané mechanickými zariadeniami. Situácia už bola riešená v polovodičovej technológii a dnes každý spínací zdroj obsahuje sekera na tyristore( triak).

Polovodiče v operačných zosilňovačoch

V druhej polovici 40. rokov sa na scéne objavili bipolárne a pole-efektové tranzistory av roku 1958 Jack Kilby z Texas Instruments vynašiel integrované obvody. Plánovaný proces montáže na kryštály rôznych konfigurácií priniesol revolúciu v oblasti operačných zosilňovačov. V dôsledku toho začiatok 60. rokov prináša nové zariadenia s napájaním rádovo 10-15 V namiesto 350, ktoré existovali predtým. Prvé integrované obvody sa ukázali byť nemotorné a predstavovali malú dosku s namontovanými prvkami( a tranzistormi) zaplavenými zložením. Utrpený zisk, odolnosť voči zaťaženiu sotva dosiahla 500 ohmov.

Ale zariadenie nezostalo stáť.Napríklad varaktorový most umožnil zosilnenie veľmi malých DC signálov na veľkú hodnotu.Čo umožnilo priamo ovládať rôzne mechanizmy. Dnes je väčšina operačných zosilňovačov polovodičovými kryštálmi s aktívnymi a pasívnymi prvkami, ktoré sú na nich vytvorené.