Операционный усилитель

Операционный усилитель – это электронный прибор с обратной связью, в задачи которого входит многократное увеличение разницы сигнала между двумя его входами. Первоначально конструкция использовалась компанией Bell Labs для привода зенитной установки в рамках системы Т9. Отсюда и название. С английского operational переводится двояко: операторный, и в то же время успешный (рабочий, действенный). А эффективность системы Т9 и сегодня не вызывает сомнений.

Как создавался операционный усилитель

Развитие электронных ламп

Историю следовало бы начать с зарождения XX века (1904 год), когда Флеминг усовершенствовал электронную лампу Эдисона (см. лампа накаливания), получив таким образом первый вакуумный диод. Если говорить более подробно, то патент от 1883 года не был первым упоминанием термоэлектронной эмиссии. Десятилетием ранее отмеченной даты Фредерик Гутри уже упоминал это явление (см. Magnetism and Electricity, 1873 год). А в 1906 на свет, благодаря Ли Де Форесту, появился первый вакуумный триод – прибор, конструктивно входящий в состав первых операционных усилителей. Между существующими нитью накала (катодом) и имеющим положительный потенциал диском (анодом) добавили сетку, сигнал на которой активно влиял на прохождение электронов через пространство.

Электронная лампа

Электронная лампа

Дифференциальные усилители и обратная связь

Следующим шагом можно считать развитие в начале 30-х компанией Bell Labs технологии усилителей с обратной связью, что ведет нас прямиком к патенту US 2401779 Карла Швартцеля младшего, заявленного 1 мая 1941 года.

В 1928 году обратная связь, столь распространенная сегодня, не была известна вовсе. И когда работник Bell Labs Харольд Блэк впервые разместил патент, от этого было мало проку. Понадобилось целых 9 лет (US Patent 2102671), чтобы довести изобретение до ума. Как это часто бывает с великими изобретениями, множество людей в разных уголках Земли трудились над одним и тем же. Среди них:

  1. Пол Войт (UK Patent 231792, 1924 год).
  2. А. Д. Блюмлейн (UK Patent 425553, 1933 год).
  3. Известная и сегодня компания N.V. Philips.

В то время, когда Блэк развивал свою идею, он пытался решить проблему повторителей сигнала в линиях связи. Один вакуумный триод давал усиление максимум 1 дБ. Да и то в самых благоприятных условиях. Их требовались сотни, если не тысячи, и вся эта ватага не только нуждалась в энергии, но и требовала внимания обслуживающего персонала. Усилитель с обратной связью стал потрясающим изобретением, потому что во много раз вырос коэффициент усиления с одновременным повышением стабильности (критерии Найквиста). Компания Bell Labs буквально озолотилась на этой идее.

Харольд Блэк

Харольд Блэк

Развитием идеи Блэка считаются патенты US Patent 1915440 (Гарри Найквист) и US Patent 2123178 (Хендрик Боуд). Найквист, к тому же, подкинул идею работы вакуумных ламп с постоянным током, чем еще раз расширил границы применяемости обратной связи. Параллельно шла разработка дифференциальных усилителей – рабочим сигналом для них является разница между двумя входами. В этой области можно отметить следующие этапы становления:

  • Б. Х. К. Мэттьюз изобретает в 1934 году дифференциальный вход для усилителя. Недостатком здесь является то, что в схеме с общими катодами они непосредственно соединены с отрицательным полюсом источника питания, что прямо снижает коэффициент усиления.
  • Несколько дальше пошел Алан Блюмлейн в патенте UK Patent 482470 (1936 год). Он отделил общие катоды от земли резистором.
  • В 1937 году Франклин Оффнер ввел в конструкцию обратную связь, что несколько снизило усиление, но повысило устойчивость системы. В том же году Отто Шмитт придумал схему на пентодах, где указанный недостаток отсутствовал.
  • В 1938 году Дж. Ф. Тоннис вводит понятие длиннохвостой дифференциальной пары для вакуумных ламп. В этом случае между землей и общим высокоомным резистором добавляется источник питания (у Тонниса – минус 90 В), дополнительно уменьшающий потенциал катода.
  • Отто Шмитт в том же (1938) году также обсуждает длиннохвостую дифференциальную пару, но уже в качестве инвертора фазы (один из входов заземлен).
  • Харольд Гольдберг в 1940 году изобретает схему малошумящего (порядка 2 мкВ) многокаскадного дифференциального усилителя. А позже вводит в схему пентод для обеспечения нужного тока смещения.
Читайте также:  Автоматический выключатель

Операционные усилители: первые пташки

Фокус разработки операционных усилителей в 30-е годы находился в области аналоговых вычислительных устройств. Схожие конструкции обсуждались в поздние 30-е годы и в 1940 Джорджем Филбриком и Пером Хольстом, но не хватает последнего шага – большого коэффициента усиления. Использование биполярного питания позволило отрабатывать в обе стороны сигналы рассогласования для точного прицеливания. Система М9 служила операционным блоком вычислительной системы, рассчитывающей траекторию движения снарядов для поражения воздушных мишеней.

Подробности исследований можно узнать в работе Хиггинса «Defense Research at Bell Labs: Electrical Computers for Fire Control».

Итак, Карл Швартцель в патенте 1941 года обсуждает первые операционные усилители. В документации же изобретение именуется суммирующим. Происхождение названия достаточно тривиальное. Сам изобретатель пишет, что устройство будет складывать n-ное число напряжений и можно таким образом модифицировать существующие вычислительные машины. Особенностью новинки является введение обратной связи для снижения входного сопротивления всей системы (что упростит ее согласование с другим частями электрической цепи и увеличит коэффициент усиления).

До этого суммирование происходило постепенно, причем только одно из напряжений имело два полюса, что существенно усложняло согласование. В данном патенте рассматривается устройство, где все упрощено. Каждое из суммируемых напряжений одним из полюсов имеет общий провод, а коэффициент передачи системы можно подстраивать, регулируя глубину обратной связи. Единственным ограничением является постоянный ток, который не во всех случаях способен преодолеть вакуум.

Разработки Bell Labs приводят к созданию прототипа вычислительной системы прицеливания, получившей кодовое название Т10. Система (US Patent 2493183) успешно прошла испытания в декабре 1941 года и в дальнейшем активно развивалась. Спектр использования в ней операционных усилителей был значительно расширен. Следует обратить внимание на то, что публикация патента Швартцеля, заявленного 1 мая 1941 года, произошла только после окончания Второй мировой войны (1946 год). Настолько союзники считали важным это нововведение. Причем спецификация на саму систему наведения лежала едва ли не в открытом доступе (для вражеских агентов).

Усилитель Швартцеля

Усилитель Швартцеля

Возникает вопрос: зачем операционный усилитель Швартцеля инвертирует сигнал? Мы полагаем – хотя об этом нигде прямо не говорится – что это было сделано для удобства пилотов. В авиации принято использовать инверсию летательного аппарата по углу тангажа. Таким образом конструкторы хотели упростить электрическую схему и в будущем применять операционные усилители в составе бортовой электроники. В свою очередь инверсия по углу тангажа принята для компенсации физиологических особенностей пилота, как представителя Homo Sapiens. Если сделать все наоборот, то на низких высотах самолет станет падать на землю. Об этом в свое время говорилось на уроках физики в средних классах общеобразовательных школ.

Следующий вопрос заключается в следующем: зачем операционный усилитель Швартцеля складывает на своем входе целых три сигнала? Мы полагаем, что ответ кроется в области функциональных ограничений автоматики. Проще говоря, первоначальное наведение на мишень осуществляет вручную оператор, после чего оптическая система дает вычислительному устройству информацию, по которому производится доводка. Возможно, даже с упреждением на скорость и дальность цели. В результате сигнал с рукоятки управления должен суммироваться с командами вычислителя. Третий вход нужен для обратной связи, что придаст движению ствола нужную плавность и исключит различные эксцессы.

Читайте также:  Газоразрядная лампа

В результате операционный усилитель не только решал поставленные задачи, но одновременно производил усиление на 95 дБ (примерно 65000 раз) и мог нести неимоверную нагрузку в 6 кОм (вход современной акустической колонки составляет сотню Ом – для сравнения). А главные конструкторы системы наведения Т9 – Ловелл, Паркинсон и Кун – получили в апреле 1947 года медаль за заслуги перед отечеством, учрежденную президентом на период Второй мировой войны (с 8 сентября 1939 года) и до 1952 года включительно. Это высшая награда для гражданского населения, способствовавшего победе над врагом.

Вероятность поражения мишени Т9 составила 90%. Так что одна мысль о существовании подобного компьютера долго отбивала у врага желание атаковать США и союзников. Инструмент немедленно объявили одним из важнейших средств для защиты свободы и демократии в мире.

Прибор по усилению

Прибор по усилению

Развитие операционных усилителей

Дальнейшие работы в области развития операционных усилителей были перенесены (1947 год) в Колумбийский университет Нью-Йорка. Вся деятельность контролировалась и направлялась профессором Джоном Рагаццини. В ходе разработок была найдена схема из двух триодов (до того их было три), но по вполне понятным причинам о конструкции мало имеется сведений и по сей день. Автором называют Джули Лоебе. Нагрузка схемы возросла в разы и составила 300 кОм.

Именно в схеме Джули Лоебе появляются два входа вместо одного инвертирующего: инвертирующий и не инвертирующий. На каждом по-прежнему можно вести сложение напряжений. Это качество используется и по сей день – ничего нового не придумано. Дифференциальный вход компенсирует дрейф шумов, но они все же остаются достаточно большими в случае необходимости усиления субмилливольтных сигналов. Вносят свою погрешность как тепловой уход рабочей точки, так и долговременные флуктуации. Эта проблема решается использованием чоппера (нарезка напряжения на высокочастотные импульсы). Схема предложена в 1949 году Эдвином Гольдбергом.

Дрейф снижается на величину коэффициента передачи чоппера. Побочным преимуществом является возможность использования низких частот, в том числе и постоянного напряжения. Благодаря наличию обратной связи чоппер может давать коэффициент усиления до 100 дБ, а в сумме схема Гольдберга обеспечивает 163 (150.000.000 раз). У новинки было несколько ограничений:

  1. Первые схемы с чопперами работали только в инвертирующем режиме. Реализация обычного требовала включения в схему слишком большого количества каскадов.
  2. На момент 1949 года не существовало концепции силовых ключей. Поэтому нарезка производилась механическими устройствами. Эта проблема была решена уже в полупроводниковой технике, и сегодня каждый импульсный блок питания включает в себя чоппер на тиристоре (симисторе).

Полупроводники в операционных усилителях

Во второй половине 40-х годов на сцену выходят биполярный и полевой транзисторы, а в 1958 году Джэк Килби из Техас Инструментс изобретает интегральные схемы. Планарный процесс монтажа на кристалл различных конфигураций совершил революцию в области операционных усилителей. В результате начало 60-х дает новые устройства с питанием порядка 10-15 В вместо 350, существовавших ранее. Первые интегральные схемы были довольно неуклюжими и представляли собой небольшую плату с навесными элементами (в том числе транзисторами), залитую компаундом. Страдал и коэффициент усиления, и сопротивление нагрузки едва достигало 500 Ом.

Но и техника не стояла на месте. Например, варакторный мост позволил усиливать очень малые сигналы постоянного тока до большой величины. Что делало возможным управление различными механизмами напрямую. Сегодня большая часть операционных усилителей представляет собой кристаллы полупроводника с сформированными на них активными и пассивными элементами.