Een operationele versterker is een elektronisch apparaat met feedback met als doel het herhaaldelijk vergroten van het signaalverschil tussen de twee ingangen. Aanvankelijk werd het ontwerp door Bell Labs gebruikt om een luchtafweergeschut binnen het T9-systeem te besturen. Vandaar de naam. In het Engels wordt operationeel op twee manieren vertaald: operator en tegelijkertijd succesvol( werkend, effectief).En de effectiviteit van het T9-systeem van vandaag staat buiten twijfel.
Hoe de
operationele versterker is gemaakt De ontwikkeling van de
elektronische buizenIn detail werd het patent van 1883 niet de eerste vermelding van thermionische emissie. Een decennium van de eerder genoteerde datum, vermeldde Frederic Guthrie dit fenomeen al( zie Magnetism and Electricity, 1873).In 1906 verscheen, dankzij Lee De Forest, de eerste vacuümtriode - een apparaat dat structureel deel uitmaakt van de eerste operationele versterkers. Tussen het bestaande filament( kathode) en een positieve potentiaalschijf( anode) werd een raster toegevoegd, het signaal waarop actief de doorgang van elektronen door de ruimte werd beïnvloed.
elektronische lamp
differentiële versterkers en feedback
Een nieuwe stap was de ontwikkeling in de vroege jaren 30 van de Bell Labs-technologie van versterkers met feedback, die rechtstreeks leidt tot het patent van de Amerikaanse 2401779 Karl Schwartzel Jr., verklaard op 1 mei 1941.
In 1928 was de feedback die vandaag zo wijd verspreid was niet bekend. En toen werknemer van Bell Labs, Harold Black, het patent voor de eerste keer plaatste, bleek het weinig nuttig te zijn. Het duurde maar liefst 9 jaar( VS-octrooi 2.102.671) om de uitvinding voor ogen te houden. Zoals vaak gebeurt met grote uitvindingen, werkten veel mensen in verschillende delen van de aarde aan hetzelfde onderwerp. Wetenschappers omvatten:
- Paul Voight( Brits octrooischrift 231792, 1924).
- A.D. Blumlein( VK octrooi 425553, 1933).
- Bekend bedrijf N.V.Philips.
Toen Black zijn idee ontwikkelde, probeerde hij de situatie op te lossen met signaalversterkers in communicatielijnen. Eén vacuümtriode gaf een winst van maximaal 1 dB exclusief onder gunstige omstandigheden. Het vereiste honderden, duizenden, en deze band had energie nodig en eiste de aandacht van de begeleiders. Een versterker met feedback is een verbluffende uitvinding geworden - de versterking is vele malen toegenomen terwijl tegelijkertijd de stabiliteit toenam( Nyquist-criteria).Het bedrijf Bell Labs was letterlijk pissig met het genoemde idee.
Harold Black
De ontwikkeling van het idee van Black zijn de octrooien US octrooi 1915440( Harry Nyquist) en Amerikaans octrooi 2123178( Hendrick Bode).Nyquist gooide het idee van het werk van vacuümbuizen met gelijkstroom, waardoor de grenzen van toepasbaarheid van feedback opnieuw werden uitgebreid. Parallel daaraan was er de ontwikkeling van differentiële versterkers - het werksignaal voor hen is het verschil tussen de twee ingangen. De ontwikkelingsstadia worden genoteerd:
- B.H.K. Matthews vond een differentiële ingang voor een versterker uit in 1934.Nadeel: in het circuit met gemeenschappelijke kathodes zijn ze direct verbonden met de negatieve pool van de stroombron, wat de versterking direct vermindert.
- Alan Blumlein ging iets verder in het Britse octrooi 482470( 1936).Gescheiden gemeenschappelijke kathodes van de grondweerstand.
- In 1937 introduceerde Franklin Offner feedback in het ontwerp, wat de versterking iets verminderde, maar de stabiliteit van het systeem verhoogde. In het genoemde jaar bedacht Otto Schmitt een pentodes-regeling, waar deze tekortkoming ontbrak.
- In 1938 introduceerde JF Tonnis het concept van een langwerpig differentieel paar voor vacuümbuizen. In dit geval wordt een voedingsbron toegevoegd tussen de aarde en de gemeenschappelijke weerstand met hoge weerstand( in Tonnis - minus 90 V), die bovendien de potentiaal van de kathode vermindert.
- Otto Schmitt bespreekt in 1938 ook het long-tail differentieel paar, maar al als een fase-omvormer( één ingang is geaard).
- Harold Goldberg bedenkt in 1940 het schema van meer-traps differentiële versterker met laag ruisniveau( ongeveer 2 μV).Later introduceert een pentode in het circuit om de gewenste biasstroom te leveren.
operationele versterkers: de eerste birdies van de
De focus van de ontwikkeling van operationele versterkers in de jaren 30 lag op het gebied van analoge computerapparatuur. Vergelijkbare constructies werden besproken in de late jaren '30 en in 1940 door George Philbrick en Per Holst, zonder de laatste stap - een grote winst. Het gebruik van bipolaire kracht om de mismatch-signalen in beide richtingen uit te werken voor nauwkeurig richten. Het M9-systeem diende als een bedieningseenheid van een computersysteem dat het traject van de projectielen berekent om luchtdoelen te raken.
Onderzoeksdetails worden beschreven in Higgins 'Defense Research van Bell Labs: Electrical Computers for Fire Control.
Dus, Karl Schwartzel in het octrooi van 1941 bespreekt de eerste opamps. In de documentatie wordt de uitvinding sommering genoemd. De oorsprong van de naam is triviaal. De uitvinder schrijft zelf dat het apparaat is ontworpen om het n-de aantal spanningen toe te voegen en het is mogelijk om bestaande computers op een vergelijkbare manier aan te passen. Een kenmerk van de nieuwigheid was de introductie van feedback om de ingangsweerstand van het systeem te verminderen( wat de coördinatie met andere delen van het elektrische circuit zal vereenvoudigen en de versterking zal vergroten).
Voordat de sommatie geleidelijk plaatsvond, had de enige spanning twee polen, wat de coördinatie enorm bemoeilijkte. Dit patent behandelt een apparaat waar alles vereenvoudigd is. Elk van de gesommeerde spanningen bij een van de polen krijgt een gemeenschappelijke draad en de transmissiecoëfficiënt van het systeem kan worden aangepast door de diepte van de terugkoppeling aan te passen. De enige beperking is de gelijkstroom, niet altijd in staat om het vacuüm te overwinnen.
De ontwikkeling van Bell Labs leidt tot de creatie van een prototype van het gerichte computersysteem, met de codenaam T10.Het systeem( Amerikaans octrooi 2493183) werd met succes getest in december 1941 en werd in de toekomst actief ontwikkeld. Het bereik van het gebruik van operationele versterkers daarin is aanzienlijk uitgebreid. Opgemerkt moet worden dat de publicatie van het octrooi Shvarttsel, gedeclareerd op 1 mei 1941, pas plaatsvond na het einde van de Tweede Wereldoorlog( 1946).Dus bondgenoten vonden deze innovatie belangrijk. Bovendien was de specificatie voor het geleidingssysteem zelf praktisch in open toegang( voor vijandelijke agenten).
Shvartzel-versterker
De vraag rijst: waarom keert de operationele versterker van Shvartzel het signaal om? Wij zijn van mening - hoewel het niet direct ergens wordt vermeld - dat dit wordt gedaan voor het gemak van de piloten. In de luchtvaart is het gebruikelijk om de inversie van het vliegtuig in hellingshoek te gebruiken. Daarom wilden de ontwerpers het elektrische circuit vereenvoudigen en in de toekomst operationele versterkers gebruiken als onderdeel van de elektronica aan boord. Piekhoekinversie wordt toegepast om de fysiologische kenmerken van de piloot te compenseren als vertegenwoordiger van Homo Sapiens. Als je het tegenovergestelde doet, op lage hoogte, valt het vliegtuig op de grond. Dit werd besproken tijdens de lessen van de natuurkunde in de middenklassen van middelbare scholen.
De volgende vraag: waarom telt de operationele versterker van Schwartzel maximaal drie signalen bij de ingang op? We geloven dat het antwoord ligt op het gebied van functionele beperkingen van automatisering. De initiële geleiding naar het doelwit gebeurt met de hand door de operator, waarna het optische systeem de computer voorziet van informatie waarop de verfijning wordt uitgevoerd. Misschien met een voorsprong op de snelheid en het bereik van het doelwit. Dientengevolge moet het signaal van de bedieningshendel worden samengevat met de commando's van de zender. De derde input is nodig voor feedback, die de beweging van de stam de gewenste zachtheid zal geven en verschillende uitwassen zal elimineren.
Als resultaat hiervan loste de operationele versterker taken op en won tegelijkertijd 95 dB( 65.000 keer) en droeg een ongelooflijke belasting van 6 kΩ( de ingang van een moderne luidspreker is honderd Ohm - ter vergelijking).En in april 1947 ontvingen de belangrijkste ontwerpers van het T9-geleidingssysteem, Lovell, Parkinson en Kun, een medaille voor diensten aan het vaderland, opgericht door de president voor de periode van de Tweede Wereldoorlog( van 8 september 1939) tot en met 1952.Dit is de hoogste onderscheiding voor burgers die hebben bijgedragen aan de overwinning op de vijand.
De kans om het T9-doel te raken was 90%.Dus de gedachte aan het bestaan van een dergelijke computer voor een lange tijd ontmoedigde de vijand om de Verenigde Staten en bondgenoten aan te vallen. De tool werd onmiddellijk uitgeroepen tot de belangrijkste manier om vrijheid en democratie in de wereld te beschermen.
Apparaat voor versterking
Ontwikkeling van operationele versterkers
Verdere werkzaamheden op het gebied van ontwikkeling van operationele versterkers verplaatst( 1947) naar Columbia University in New York. Activiteiten werden gemonitord en geregisseerd door Professor John Ragazzini. In de loop van de ontwikkeling werd een schema van twee triodes gevonden( er waren er drie vóór hen), maar om begrijpelijke redenen is er tot op heden weinig informatie over het ontwerp. De auteur heet Julie Loeb. De belasting van het circuit is verschillende keren toegenomen en bedroeg 300 kΩ.
Het is in het schema van Julie Loeb dat er twee ingangen verschijnen in plaats van een inverterende: inverterende en niet inverterende. Het is nog steeds mogelijk om stress toe te voegen aan elk. Deze kwaliteit wordt vandaag gebruikt - er is geen nieuwe uitgevonden. De differentiële invoer compenseert de ruisdrempel, maar deze blijft groot in het geval dat het nodig is sub-millivoltsignalen te versterken. Introduceer een fout in het thermisch vertrek van het werkpunt en de langetermijnfluctuaties. De moeilijkheid wordt opgelost door het gebruik van een chopper( door de spanning in hoogfrequente pulsen te snijden).Regeling voorgesteld in 1949 door Edwin Goldberg.
De afwijking wordt verminderd door de overbrengingsverhouding van de chopper. Een bijkomend voordeel is de mogelijkheid om lage frequenties te gebruiken, inclusief constante spanning. Door de aanwezigheid van feedback kan de chopper een winst tot 100 dB geven, en in totaal levert het Goldberg-circuit 163( 150.000.000 keer).De nieuwigheid had verschillende beperkingen:
- De eerste schema's met choppers werkten alleen in de inverterende modus. De implementatie van de gebruikelijke vereiste opname in het schema te veel cascades.
- Ten tijde van 1949 was er geen concept van stroomschakelaars. Het snijden gebeurde met mechanische apparaten. De situatie is al opgelost in de halfgeleidertechnologie en vandaag omvat elke schakelende voeding een chopper op een thyristor( triac).
Semiconductors in operationele versterkers
In de tweede helft van de jaren 40 verschenen bipolaire en veldeffecttransistors en in 1958 vond Jack Kilby uit Texas Instruments geïntegreerde circuits uit. Het vlakke proces van montage op een kristal van verschillende configuraties heeft een revolutie teweeggebracht op het gebied van operationele versterkers. Als gevolg hiervan geeft het begin van de jaren 60 nieuwe apparaten met voeding van de orde van 10-15 V in plaats van 350 die eerder bestonden. De eerste geïntegreerde schakelingen bleken onhandig en vormden een klein bord met gemonteerde elementen( en transistors) die waren overspoeld met compound. Gegenereerd gewricht, laadweerstand nauwelijks bereikt 500 ohm.
Maar de apparatuur stond niet stil. De varactor-brug maakte het bijvoorbeeld mogelijk om zeer kleine DC-signalen tot een grote waarde te versterken. Wat maakte het mogelijk om verschillende mechanismen rechtstreeks te beheersen. Tegenwoordig zijn de meeste operationele versterkers halfgeleiderkristallen met daarop actieve en passieve elementen gevormd.
