Amplificador operacional

Un amplificador operacional es un dispositivo electrónico con retroalimentación con la tarea de aumentar repetidamente la diferencia de señal entre sus dos entradas. Inicialmente, Bell Labs utilizó el diseño para impulsar la instalación antiaérea dentro del sistema T9.De ahí el nombre. En inglés, operacional se traduce de dos maneras: operador y al mismo tiempo exitoso( en funcionamiento, efectivo).Y la efectividad del sistema T9 hoy está fuera de toda duda.

Cómo se creó el amplificador operacional

El desarrollo de las lámparas electrónicas

La historia comienza con el nacimiento del siglo XX( 1904), cuando Fleming mejoró la lámpara electrónica Edison( ver lámpara incandescente), después de haber recibido el primer diodo de vacío. En detalle, la patente de 1883 no se convirtió en la primera mención de emisión termoiónica. Una década de la fecha señalada anteriormente, Frederic Guthrie ya mencionó este fenómeno( ver Magnetismo y electricidad, 1873).En 1906, gracias a Lee De Forest, apareció el primer triodo de vacío, un dispositivo que forma parte estructuralmente de los primeros amplificadores operacionales. Entre el filamento existente( cátodo) y un disco de potencial positivo( ánodo), se agregó una cuadrícula, la señal sobre la cual influyó activamente el paso de los electrones a través del espacio.

Amplificadores diferenciales y retroalimentación

Un nuevo paso fue el desarrollo a principios de los años 30 de la tecnología Bell Labs de amplificadores con retroalimentación, lo que conduce directamente a la patente de US 2401779 Karl Schwartzel Jr., declarado el 1 de mayo de 1941.

En 1928, la retroalimentación tan prevaleciente hoy en día no se conocía. Y cuando el empleado de Bell Labs, Harold Black, publicó la patente por primera vez, resultó de poca utilidad. Le tomó hasta 9 años( Patente de Estados Unidos 2.102.671) para recordar la invención. Como a menudo sucede con los grandes inventos, muchas personas en diferentes partes de la Tierra trabajaron en el mismo tema. Los científicos incluyen:

1. Paul Voight( Patente del Reino Unido 231792, 1924).
2. A.D. Blumlein( Patente del Reino Unido 425553, 1933).
3. Empresa conocida N.V.Philips.

Cuando Black desarrolló su idea, trató de resolver la situación con repetidores de señal en las líneas de comunicación. Un triodo de vacío dio una ganancia de un máximo de 1 dB exclusivamente en condiciones favorables. Cientos, miles eran necesarios, y esta banda necesitaba energía y exigía la atención de los asistentes. Un amplificador con retroalimentación se ha convertido en un invento sorprendente: la ganancia ha aumentado muchas veces y al mismo tiempo aumenta la estabilidad( criterios de Nyquist).La compañía Bell Labs literalmente se enojó con dicha idea.

El desarrollo de la idea de Black son las patentes US Patent 1915440( Harry Nyquist) y US Patent 2123178( Hendrick Bode).Nyquist lanzó la idea del trabajo de los tubos de vacío con corriente continua, lo que amplió nuevamente los límites de aplicabilidad de la retroalimentación. En paralelo, se desarrollaron amplificadores diferenciales: la señal de trabajo para ellos es la diferencia entre las dos entradas. Se señalan las etapas de desarrollo:

• B.H.K. Matthews inventó una entrada diferencial para un amplificador en 1934.Desventaja: en el circuito con cátodos comunes, están conectados directamente al polo negativo de la fuente de energía, lo que reduce directamente la ganancia.
• Alan Blumlein fue un poco más lejos en la Patente del Reino Unido 482470( 1936).Cátodos comunes separados de la resistencia de tierra.
• En 1937, Franklin Offner introdujo retroalimentación en el diseño, lo que redujo ligeramente la ganancia, pero aumentó la estabilidad del sistema. En el año mencionado anteriormente, Otto Schmitt ideó un esquema para los pentodos, donde esta deficiencia estaba ausente.
• En 1938, JF Tonnis introdujo el concepto de un par diferencial de cola larga para tubos de vacío. En este caso, se agrega una fuente de energía entre el suelo y la resistencia común de alta resistencia( en Tonnis, menos 90 V), lo que además reduce el potencial del cátodo.
• Otto Schmitt en 1938 también analiza el par diferencial de cola larga, pero ya como un inversor de fase( una entrada está conectada a tierra).
• Harold Goldberg en 1940 inventa el esquema del amplificador diferencial multietapa de bajo ruido( alrededor de 2 µV).Más tarde introduce un pentodo en el circuito para proporcionar la corriente de polarización deseada. Amplificadores operacionales

: Los primeros birdies del

El enfoque del desarrollo de los amplificadores operacionales en los años 30 estuvo en el campo de los dispositivos de computación analógica. Construcciones similares se discutieron a finales de los años 30 y en 1940 por George Philbrick y Per Holst, sin el último paso: una gran ganancia. El uso de la potencia bipolar permitió resolver las señales de desajuste en ambas direcciones para apuntar con precisión. El sistema M9 sirvió como unidad operativa de un sistema informático que calcula la trayectoria de los proyectiles para golpear objetivos aéreos. Los detalles de la investigación de

se describen en Investigación de defensa de Higgins en Bell Labs: Computadoras eléctricas para control de incendios.

Entonces, Karl Schwartzel en la patente de 1941 discute las primeras operaciones. En la documentación, la invención se llama sumar. El origen del nombre es trivial. El propio inventor escribe que el dispositivo está diseñado para agregar el número n ° de voltajes y es posible modificar las computadoras existentes de una manera similar. Una característica de la novedad fue la introducción de retroalimentación para reducir la resistencia de entrada del sistema( lo que simplificará su coordinación con otras partes del circuito eléctrico y aumentará la ganancia).

Antes de que la suma ocurriera gradualmente, la única tensión tenía dos polos, lo que complicaba enormemente la coordinación. Esta patente trata de un dispositivo donde todo se simplifica. Cada uno de los voltajes sumados en uno de los polos adquiere un cable común, y el coeficiente de transmisión del sistema se puede ajustar ajustando la profundidad de la retroalimentación. La única limitación es la corriente continua, no siempre capaz de superar el vacío.

El desarrollo de Bell Labs lleva a la creación de un prototipo del sistema informático de puntería, cuyo nombre en código es T10.El sistema( Patente de EE. UU. 2493183) se probó con éxito en diciembre de 1941 y se desarrolló activamente en el futuro. El rango de uso de los amplificadores operacionales en él se ha ampliado significativamente. Cabe señalar que la publicación de la patente Shvarttsel, declarada el 1 de mayo de 1941, ocurrió solo después del final de la Segunda Guerra Mundial( 1946).Así que los aliados consideraron importante esta innovación. Además, la especificación para el sistema de guía en sí estaba prácticamente en acceso abierto( para agentes enemigos).

Surge la pregunta: ¿por qué el amplificador operacional Shvartzel invierte la señal? Creemos, aunque no se indica directamente en ninguna parte, que esto se hace para la comodidad de los pilotos. En aviación, es habitual utilizar la inversión de la aeronave en el ángulo de inclinación. Por lo tanto, los diseñadores querían simplificar el circuito eléctrico y en el futuro utilizar amplificadores operacionales como parte de la electrónica a bordo. La inversión del ángulo de inclinación se adopta para compensar las características fisiológicas del piloto como representante de Homo Sapiens. Si haces lo contrario, a bajas altitudes, el avión caerá al suelo. Esto fue discutido en las lecciones de física en las clases medias de las escuelas secundarias.

La siguiente pregunta: ¿por qué el amplificador operacional Schwartzel agrega hasta tres señales en la entrada? Creemos que la respuesta se encuentra en el área de limitaciones funcionales de la automatización. La guía inicial hacia el objetivo la realiza manualmente el operador, luego el sistema óptico proporciona al dispositivo informático información sobre la cual se realiza el refinamiento. Tal vez con una ventaja en la velocidad y el alcance del objetivo. Como resultado, la señal del control debe resumirse con los comandos del transmisor. La tercera entrada es necesaria para la retroalimentación, que le dará al movimiento del tronco la suavidad deseada y eliminará varios excesos.

Como resultado, el amplificador operacional resolvió las tareas y al mismo tiempo ganó 95 dB( 65,000 veces) y llevó una carga increíble de 6 kΩ( la entrada de un altavoz moderno es de cien ohmios, para comparación).Y en abril de 1947, los principales diseñadores del sistema de guía T9, Lovell, Parkinson y Kun, recibieron una medalla por los servicios a la patria establecida por el presidente para el período de la Segunda Guerra Mundial( desde el 8 de septiembre de 1939) hasta 1952 inclusive. Este es el premio más alto para los civiles que contribuyeron a la victoria sobre el enemigo.

La probabilidad de golpear el objetivo T9 fue del 90%.Así que la idea de la existencia de tal computadora durante mucho tiempo desalentó al enemigo de atacar a los Estados Unidos y sus aliados. La herramienta fue declarada de inmediato como el medio más importante para proteger la libertad y la democracia en el mundo.

Desarrollo de amplificadores operacionales

El trabajo adicional en el campo del desarrollo de amplificadores operacionales se trasladó( 1947) a la Universidad de Columbia en Nueva York. Las actividades fueron monitoreadas y dirigidas por el profesor John Ragazzini. En el curso del desarrollo, se encontró un esquema de dos triodos( había tres antes que ellos), pero por razones comprensibles, hasta el día hay poca información sobre el diseño. La autora se llama Julie Loeb. La carga del circuito ha aumentado varias veces y ascendió a 300 kΩ.

Es en el esquema de Julie Loeb que aparecen dos entradas en lugar de una inversión: inversión y no inversión. Todavía es posible agregar estrés en cada uno. Esta calidad se usa hoy, no se inventó ninguna nueva. La entrada diferencial compensa la deriva del ruido, pero sigue siendo grande en caso de que sea necesario amplificar las señales de submilivoltios. Se introducen inexactitudes en la pérdida térmica del punto de operación y en las fluctuaciones a largo plazo. La dificultad se resuelve mediante el uso de un interruptor( cortando el voltaje en pulsos de alta frecuencia).Esquema propuesto en 1949 por Edwin Goldberg.

La deriva se reduce según la relación de transferencia del helicóptero. Una ventaja lateral es la posibilidad de utilizar bajas frecuencias, incluida la tensión constante. Debido a la presencia de retroalimentación, el helicóptero puede dar una ganancia de hasta 100 dB, y en total, el circuito de Goldberg proporciona 163( 150,000,000 veces).La novedad tenía varias limitaciones:

1. Los primeros esquemas con cortadores funcionaban solo en el modo de inversión. La implementación de la habitual inclusión requerida en el esquema demasiadas cascadas.
2. En el momento de 1949 no existía el concepto de interruptores de alimentación. El corte se realizó con dispositivos mecánicos. La situación ya se ha resuelto en la tecnología de semiconductores, y hoy en día cada fuente de alimentación de conmutación incluye un interruptor en un tiristor( triac).

Semiconductores en amplificadores operacionales

En la segunda mitad de los años 40, aparecieron en la escena transistores bipolares y de efecto de campo, y en 1958, Jack Kilby de Texas Instruments inventó circuitos integrados. El proceso plano de montaje en un cristal de varias configuraciones ha revolucionado el campo de los amplificadores operacionales. Como resultado, el comienzo de los años 60 ofrece nuevos dispositivos con una fuente de alimentación del orden de 10-15 V en lugar de los 350 que existían antes. Los primeros circuitos integrados resultaron ser torpes y representaron una pequeña placa con elementos montados( y transistores) inundados con compuesto. Ganancia sufrida, la resistencia de carga apenas alcanzó los 500 ohmios.

Pero el equipo no se detuvo. Por ejemplo, el puente varactor permitió amplificar señales de CC muy pequeñas a un valor grande. Lo que hizo posible controlar varios mecanismos directamente. Hoy en día, la mayoría de los amplificadores operacionales son cristales semiconductores con elementos activos y pasivos formados en ellos.