Operacijski ojačevalnik

Operacijski ojačevalnik je elektronska naprava z povratno informacijo z nalogo večkratnega povečanja razlike signala med obema vhodoma. Sprva je bil model Bell Labs uporabljen za vožnjo protiletalske pištole v sistemu T9.Od tod tudi ime. V angleščini je operativni preveden na dva načina: operater in hkrati uspešen( delujoč, učinkovit).In učinkovitost sistema T9 danes je nedvomna.

Kako je nastal operacijski ojačevalnik

Razvoj elektronskih svetilk

Zgodba se začne z rojstvom dvajsetega stoletja( 1904), ko je Fleming izboljšal elektronsko žarnico Edison( glej žarnico), ki je prejel prvo vakuumsko diodo. Natančneje, patent iz leta 1883 ni postal prva omemba termionske emisije. Desetletje prej omenjenega datuma je Frederic Guthrie že omenil ta pojav( glej Magnetizem in električna energija, 1873).Leta 1906 se je po zaslugi Lee De Forest pojavil prvi vakuumski triod - naprava, ki je strukturno del prvih operacijskih ojačevalnikov. Med obstoječo žarilno nitko( katodo) in pozitivno potencialno disketo( anodo) smo dodali mrežo, na kateri je aktivno vplival na prehod elektronov skozi prostor. Elektronska svetilka

in povratne informacije

Nov korak je bil razvoj v zgodnjih 30-ih letih Bell Labs tehnologije ojačevalnikov z povratno informacijo, ki vodi neposredno v patent US 2401779 Karl Schwartzel Jr., razglašen 1. maja 1941.

Leta 1928 povratne informacije, ki so bile tako razširjene danes, niso bile znane. In ko je zaposleni Bell Labs Harold Black prvič objavil patent, se je izkazalo, da je le malo koristen. Potrebno je bilo kar 9 let( US Patent 2,102,671), da bi izum pomislili. Kot se pogosto dogaja z velikimi izumi, je veliko ljudi v različnih delih Zemlje delalo na isti temi. Znanstveniki vključujejo:

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

Ko je Black razvil svojo idejo, je poskušal rešiti situacijo s signalnimi repetitorji v komunikacijskih linijah. En vakuumski triod je dal dobiček največ 1 dB izključno v ugodnih pogojih. Potrebovali so na stotine in tisoče, ta pas pa je potreboval energijo in zahteval pozornost udeležencev. Ojačevalnik s povratno informacijo je postal osupljiv izum - dobiček se je večkrat povečal in hkrati povečal stabilnost( Nyquistova merila).Podjetje Bell Labs je dobesedno razjezilo na to idejo.

Razvoj ideje Black so patenti US Patent 1915440( Harry Nyquist) in US Patent 2123178( Hendrick Bode).Nyquist je dal idejo o delu vakuumskih cevi z enosmernim tokom, kar je ponovno razširilo meje uporabnosti povratnih informacij. Vzporedno se je razvil diferencialni ojačevalnik - delovni signal za njih je razlika med obema vhodoma. Opazne so stopnje razvoja:

• B.H.K. Matthews je izumil diferencialni vhod za ojačevalnik leta 1934.Pomanjkljivost: v vezju s skupnimi katodami so neposredno povezani z negativnim polom vira energije, kar neposredno zmanjšuje dobiček.
• Alan Blumlein je šel malo dlje v UK patentu 482470( 1936).Ločene skupne katode od upornosti tal.
• Leta 1937 je Franklin Offner uvedel povratne informacije v zasnovo, ki je nekoliko zmanjšala dobiček, vendar je povečala stabilnost sistema. V omenjenem letu je Otto Schmitt pripravil shemo za pentode, kjer te pomanjkljivosti ni bilo.
• Leta 1938 je JF Tonnis predstavil koncept dvojnega diferencialnega para za vakuumske cevi. V tem primeru se med zemljo in skupnim visokotpornim uporom( v Tonnis - minus 90 V) doda vir energije, kar dodatno zmanjša potencial katode.
• Otto Schmitt leta 1938 obravnava tudi diferencialni par z dolgim ​​repom, vendar že kot fazni pretvornik( en vhod je ozemljen).
• Harold Goldberg je leta 1940 izumil shemo nizkošumnega( okoli 2 µV) večstopenjskega diferencialnega ojačevalnika. Kasneje uvaja pentod v vezje, da zagotovi želeni tok pristranskosti. Operativna ojačevalnika

: prve ptice

Poudarek razvoja operacijskih ojačevalnikov v 30. letih je bil na področju analognih računalniških naprav. O podobnih konstrukcijah so razpravljali v poznih 30-ih, leta 1940 pa so jih oblikovali George Philbrick in Per Holst, brez zadnjega koraka - velikega dobička. Uporaba bipolarne moči omogoča natančno določanje signalov neusklajenosti v obeh smereh. Sistem M9 je služil kot operativna enota računalniškega sistema, ki izračunava krivuljo izstrelkov, da bi zadel zračne cilje.

Raziskovalne podrobnosti so opisane v Higgins 'Defense Research na Bell Labs: Električni računalniki za nadzor ognja.

Tako Karl Schwartzel v patentu iz leta 1941 razpravlja o prvih opampih. V dokumentaciji se izum imenuje seštevek. Izvor imena je trivialen. Izumitelj piše, da je naprava zasnovana tako, da doda n-to število napetosti in je možno spremeniti obstoječe računalnike na podoben način. Značilnost novosti je bila uvedba povratnih informacij za zmanjšanje vhodnega upora sistema( ki bo poenostavil njegovo usklajevanje z drugimi deli električnega tokokroga in povečal dobiček).

Pred postopnim seštevanjem je imela edina napetost dva pola, kar je zelo zapletlo koordinacijo. Ta patent obravnava napravo, kjer je vse poenostavljeno. Vsaka od seštevanih napetosti na enem od polov pridobiva skupno žico, koeficient prenosa sistema pa se lahko prilagodi s prilagoditvijo globine povratne informacije. Edina omejitev je enosmerni tok, ki ne more vedno preseči vakuuma.

Razvoj Bell Labs vodi do izdelave prototipa računalniškega sistema za ciljanje, ki ima kodno ime T10.Sistem( US Patent 2493183) je bil uspešno preizkušen decembra 1941 in se je v prihodnosti aktivno razvijal. Obseg uporabe operativnih ojačevalnikov v njem je bil bistveno razširjen. Opozoriti je treba, da se je objava patenta Shvarttsel, ki je bil razglašen 1. maja 1941, pojavila šele po koncu druge svetovne vojne( 1946).Torej so zavezniki menili, da je ta inovacija pomembna. Poleg tega je bila specifikacija sistema vodenja praktično v odprtem dostopu( za sovražne agente).

Postavlja se vprašanje: zakaj Shvartzelov operacijski ojačevalnik obrne signal? Verjamemo - čeprav to ni nikjer neposredno navedeno -, da je to storjeno za udobje pilotov. V letalstvu je običajno, da se inverzija zrakoplova uporabi v kotu naklona. Tako so oblikovalci želeli poenostaviti električni tokokrog in v prihodnje uporabljati delovne ojačevalnike kot del elektronike na vozilu. Kot nadomestilo za fiziološke značilnosti pilota kot predstavnika Homo Sapiensa je uporabljena inverzija kota smola.Če naredite nasprotno, na majhnih višinah, bo letalo padlo na tla. O tem smo razpravljali na pouku fizike v srednjih razredih srednjih šol.

Naslednje vprašanje: zakaj Schwartzelov operacijski ojačevalnik na vhodu doda do tri signale? Verjamemo, da je odgovor na področju funkcionalnih omejitev avtomatizacije. Začetno vodenje do cilja opravi operater ročno, nato pa optični sistem računalniški napravi zagotovi informacije, na katerih se izvede prečiščevanje. Morda z vodilom na hitrosti in dometu tarče. Posledično je treba signal krmilne ročice povzeti z ukazi oddajnika. Tretji vhod je potreben za povratno informacijo, ki bo gibanju debla omogočila želeno gladkost in odpravila različne ekscese.

Posledica tega je, da je operacijski ojačevalnik rešil naloge in hkrati dosegel 95 dB( 65.000-krat) in prenašal neverjetno obremenitev 6 k the( vhod sodobnega zvočnika je sto Ohm - za primerjavo).Aprila 1947 so glavni oblikovalci sistema vodenja T9, Lovell, Parkinson in Kun, prejeli medaljo za službo domovini, ki jo je ustanovil predsednik za obdobje druge svetovne vojne( od 8. septembra 1939) do vključno leta 1952.To je najvišje priznanje za civiliste, ki so prispevali k zmagi nad sovražnikom.

Verjetnost za dosego cilja T9 je bila 90%.Tako je misel o obstoju takšnega računalnika dolgo časa odvrnila sovražnika od napada na Združene države in zaveznike. Orodje je bilo takoj razglašeno za najpomembnejše sredstvo za zaščito svobode in demokracije v svetu.

Razvoj operacijskih ojačevalnikov

Nadaljnje delo na področju razvoja operacijskih ojačevalnikov je bilo preneseno( 1947) na Univerzo Columbia v New Yorku. Dejavnosti je spremljal in vodil profesor John Ragazzini. Med razvojem je bila najdena shema dveh triod( pred njimi je bilo tri), vendar iz razumljivih razlogov do danes ni dovolj informacij o načrtu. Avtorica se imenuje Julie Loeb. Obremenitev vezja se je večkrat povečala in je znašala 300 kΩ.

V shemi Julie Loeb se pojavita dva vhoda namesto enega invertiranja: invertiranje in ne inverzija.Še vedno je mogoče obremeniti vsakega. Ta kakovost se danes uporablja - ni bila izumljena nobena nova. Diferencialni vhod kompenzira premikanje hrupa, vendar ostanejo velike v primeru potrebe po povečanju signala podmilivolta. Uvesti napako v toplotnem odhodu obratovalne točke in dolgoročna nihanja. Težava je rešena s pomočjo helikopterja( rezanje napetosti v visokofrekvenčne impulze).Shema, ki jo je leta 1949 predlagal Edwin Goldberg.

Premik je zmanjšan za razmerje prenosa helikopterja. Stranska prednost je možnost uporabe nizkih frekvenc, vključno s konstantno napetostjo. Zaradi prisotnosti povratne zveze lahko helikopter doseže dobiček do 100 dB, skupaj pa Goldbergovo vezje zagotavlja 163( 150.000.000 krat).Novost je imela več omejitev:

1. Prve sheme s helikopterji so delovale le v obratnem načinu. Izvajanje običajno zahtevane vključitve v shemo preveč kaskad.
2. V času 1949 ni bilo koncepta močnostnih stikal. Rezanje je bilo izvedeno z mehanskimi napravami. Stanje je že rešeno v polprevodniški tehnologiji, danes pa vsaka preklopna napajalna enota vključuje helikopter na tiristorju( triac).

Polprevodniki v operacijskih ojačevalnikih

V drugi polovici 40. let so se na sceni pojavili bipolarni in poljski tranzistorji, leta 1958 pa je Jack Kilby iz Texas Instruments izumil integrirana vezja. Ravninski proces montaže na kristal različnih konfiguracij je revolucioniral področje operacijskih ojačevalnikov. Posledica tega je, da so v začetku 60-ih let na voljo nove naprave z napetostjo 10-15 V namesto 350, ki so obstajale že prej. Prva integrirana vezja so se izkazala za nerodna in so predstavljala majhno ploščo z vgrajenimi elementi( in tranzistorji), ki so bili preplavljeni s spojino. Prihranjen dobiček, je upornost obremenitve komaj dosegla 500 omov.

Vendar oprema ni stala. Na primer, varaktorski most je omogočil razširitev zelo majhnih DC signalov na veliko vrednost. Kaj je omogočilo neposredno nadzorovanje različnih mehanizmov. Danes je večina operacijskih ojačevalnikov polprevodniških kristalov z aktivnimi in pasivnimi elementi na njih.