Содержание
Операционный усилитель – это электронный прибор с обратной связью с задачей многократного увеличения 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 одновременно успешный (рабочий, действенный). А эффективность системы Т9 и сегодня не вызывает сомнений.
Как создавался операционный усилитель
Развитие электронных ламп
История начинается с зарождения XX века (1904 год), когда Флеминг усовершенствовал электронную лампу Эдисона (см. лампа накаливания), получив первый вакуумный диод. Если говорить подробно, патент от 1883 года не стал первым упоминанием термоэлектронной эмиссии. Десятилетием ранее отмеченной даты Фредерик Гутри уже упоминал это явление (см. Magnetism and Electricity, 1873 год). 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
Дифференциальные усилители и обратная связь
Новым шагом стало развитие в начале 30-х компанией Bell Labs технологии усилителей с обратной связью, что ведет прямиком к патенту US 2401779 Карла Швартцеля младшего, заявленного 1 мая 1941 года.
В 1928 году обратная связь, столь распространенная сегодня, не была известна. И когда работник Bell Labs Харольд Блэк впервые разместил патент, проку оказалось мало. Понадобилось целых 9 лет (US Patent 2102671), чтобы довести изобретение до ума. Как часто случается с великими изобретениями, множество людей в разных уголках Земли трудились над одинаковым предметом. Среди учёных:
- Пол Войт (UK Patent 231792, 1924 год).
- А. Д. Блюмлейн (UK Patent 425553, 1933 год).
- Известная компания N.V. Philips.
Когда Блэк развивал свою идею, пытался решить ситуацию с повторителями сигнала в линиях связи. Один вакуумный триод давал усиление максимум 1 дБ исключительно в благоприятных условиях. Требовались сотни, тысячи, и эта ватага нуждалась в энергии и требовала внимания обслуживающего персонала. Усилитель с обратной связью стал потрясающим изобретением – многократно вырос коэффициент усиления с одновременным повышением стабильности (критерии Найквиста). Компания Bell Labs буквально озолотилась на упомянутой идее.
Харольд Блэк
Развитием идеи Блэка считаются патенты US Patent 1915440 (Гарри Найквист) и US Patent 2123178 (Хендрик Боуд). Найквист подкинул идею работы вакуумных ламп с постоянным током, чем снова расширил границы применяемости обратной связи. Параллельно шла разработка дифференциальных усилителей – рабочим сигналом для них считается разница между двумя входами. Отмечают этапы становления:
- Б. Х. К. Мэттьюз изобретает в 1934 году дифференциальный вход для усилителя. Недостаток: в схеме с общими катодами они непосредственно соединены с отрицательным полюсом источника питания, что прямо снижает коэффициент усиления.
- Чуть дальше пошел Алан Блюмлейн в патенте UK Patent 482470 (1936 год). Отделил общие катоды от земли резистором.
- В 1937 году Франклин Оффнер ввел в конструкцию обратную связь, что слегка снизило усиление, но повысило устойчивость системы. В упомянутом 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 1938 году также обсуждает длиннохвостую дифференциальную пару, но уже в качестве инвертора фазы (один вход заземлен).
- Харольд Гольдберг в 1940 году изобретает схему малошумящего (порядка 2 мкВ) многокаскадного дифференциального усилителя. Позднее вводит в схему пентод для обеспечения нужного тока смещения.
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, 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 описаны 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 изобретение именуется суммирующим. Происхождение названия тривиальное. Сам изобретатель пишет, что устройство призвано складывать n-ное число напряжений и можно подобным образом модифицировать существующие вычислительные машины. Особенностью новинки стало введение обратной связи для снижения входного сопротивления системы (что упростит ее согласование с прочими частями электрической цепи и увеличит коэффициент усиления).
Прежде суммирование происходило постепенно, причем единственное напряжение имело два полюса, что сильно усложняло согласование. В данном патенте рассматривается устройство, где все упрощено. Каждое из суммируемых напряжений одним из полюсов обретает общий провод, а коэффициент передачи системы возможно подстраивать, регулируя глубину обратной связи. Единственным ограничением становится постоянный ток, не всегда способный 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 оказался значительно расширен. Следует обратить внимание, что публикация патента Швартцеля, заявленного 1 мая 1941 года, произошла лишь после окончания Второй мировой войны (1946 год). Настолько союзники считали важным указанное нововведение. Причем спецификация на саму систему наведения лежала практически в открытом доступе (для вражеских агентов).
Усилитель Швартцеля
Возникает вопрос: зачем операционный усилитель Швартцеля инвертирует сигнал? Мы полагаем – хотя нигде прямо не говорится – что это 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. Инверсия по углу тангажа принята для компенсации физиологических особенностей пилота как представителя Homo Sapiens. Если сделать наоборот, на низких высотах самолет станет падать на землю. Об этом говорилось на уроках физики в средних классах общеобразовательных школ.
Следующий вопрос: зачем операционный усилитель Швартцеля складывает на входе целых три сигнала? Полагаем, ответ кроется в области функциональных ограничений автоматики. Первоначальное наведение на мишень делает вручную оператор, потом оптическая система дает вычислительному устройству информацию, по которому выполняется доводка. Возможно, 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.
В результате операционный усилитель решал поставленные задачи и одновременно делал усиление на 95 дБ (65000 раз) и нёс 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 мысль о существовании подобного компьютера долго отбивала у врага желание атаковать США и союзников. Инструмент немедленно объявили важнейшим средством защиты свободы и демократии в мире.
Прибор по усилению
Развитие операционных усилителей
Дальнейшие работы в области развития операционных усилителей перенесены (1947 год) в Колумбийский университет Нью-Йорка. Деятельность контролировалась и направлялась профессором Джоном Рагаццини. В ходе разработок найдена схема из двух триодов (прежде их насчитывалось три), но по вполне понятным причинам о конструкции мало имеется сведений и поныне. 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 возможно вести сложение напряжений. Это качество используется и сегодня – нового не придумано. Дифференциальный вход компенсирует дрейф шумов, но они остаются большими в случае необходимости усиления субмилливольтных сигналов. Вносят погрешность тепловой уход рабочей точки и долговременные флуктуации. Затруднение решается использованием чоппера (нарезка напряжения на высокочастотные импульсы). Схема предложена в 1949 году Эдвином Гольдбергом.
Дрейф снижается на величину коэффициента передачи чоппера. Побочным преимуществом становится 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:
- Первые схемы с чопперами работали только в инвертирующем режиме. Реализация обычного требовала включения в схему слишком большого количества каскадов.
- На момент 1949 года не существовало концепции силовых ключей. Нарезка выполнялась механическими устройствами. Ситуация решена уже в полупроводниковой технике, и сегодня каждый импульсный блок питания включает 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 оказались неуклюжими и представляли собой небольшую плату с навесными элементами (и транзисторами), залитую компаундом. Страдал коэффициент усиления, сопротивление нагрузки едва достигало 500 Ом.
Но техника не стояла на месте. К примеру, 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.
