Аналоговий комп'ютер — аналогова обчислювальна машина (АВМ), це комп'ютер безперервної дії, що обробляє аналогові дані (безперервну інформацію).
БСЕ дає таке визначення аналогової обчислювальної машини.
Аналогова обчислювальна машина (АВМ), обчислювальна машина, в якій кожному миттєвому значенню змінної величини, що бере участь у вихідних співвідношеннях, ставиться у відповідність миттєве значення іншої (машинної) величини, що часто відрізняється від вихідною фізичною природою та масштабним коефіцієнтом. Кожній елементарній математичній операції над машинними величинами, як правило, відповідає деякий фізичний закон, що встановлює математичні залежності між фізичними величинами на виході та вході вирішального елемента (наприклад, закони Ома та Кірхгофа для електричних ланцюгів, вираз для ефекту Холла, лоренцової сили тощо) .).
Варто зазначити, що аналоговий комп'ютер буває не тільки електричний, а й механічний, гідравлічний і навіть пневматичний.
Незважаючи на анахронізм, що здається, аналогові обчислення широко використовуються в сучасному житті. Автомобільна автоматична трансмісія є прикладом гідромеханічного аналогового обчислювача, в якому при зміні моменту, що обертає, рідина в гідроприводі
< a i=9> змінює тиск, що дозволяє отримати зміну коефіцієнта передачі. Аналогова обробка електричних сигналів займає важливе місце у промисловій електроніці. Більшість типів первинних перетворювачів фізичних величин є джерелами аналогових сигналів, а багато виконавчих елементів в об'єктах управління управляються безперервно змінним електричним струмом. Навіть системи управління, основою яких є цифрові обчислювальні комплекси, не можуть відмовитися від аналогової обробки сигналів та сполучаються з об'єктами управління та датчиками за допомогою аналогових та аналого-цифрових пристроїв.
У зв'язку з об'ємністю матеріалу, який хотілося б уявити, я планую написати цикл статей. Пропоную на суд читача першу частину, де буде коротко розказано історію створення операційного підсилювача у тому вигляді, як ми його знаємо.
Історія використання АВМ налічує кілька тисячоліть. Зацікавлені можуть розпочати свої пошуки зі статті в вікіпедії.
Але в цій статті я зупинюся лише на датах, що безпосередньо гойдаються історії створення електронного операційного підсилювача. І почну я з дати, яка, на перший погляд, ніяк не відноситься до теми статті. Джон Непер публікує «Канон про логарифми», який починався так:«Усвідомивши, що в математиці немає нічого нуднішого і стомливішого, ніж множення, розподіл, витяг. квадратних і кубічних коренів, і що ці операції є марною тратою часу і невичерпним джерелом невловимих помилок, я вирішив знайти простий і надійний засіб, щоб позбутися їх». Дозволю собі нагадати про деякі властивості логарифмів. З властивостей логарифму випливає, що замість трудомісткого множення багатозначних чисел достатньо знайти (за таблицями) і скласти їх логарифми, а потім за тими самими таблицями виконати потенціювання, тобто знайти значення результату за його логарифмом. Виконання поділу відрізняється лише тим, що логарифми віднімаються. У вигляді формул це виглядає так:lg(xy) = lg(x) + lg(y) для множення lg(x/y) = lg(x) — lg(y) для поділу Непер створив перші таблиці логарифмів тригонометричних функцій. Школярі докомп'ютерної епохи повинні пам'ятати, що таке чотиризначні таблиці Брадіса. a> винайшов випрямляч на двоелектродній електронній лампі, який він назвав осциляторним вентилем. Винахід носить також назви: лампа з термокатодом, вакуумний діод, кенотрон, термоіонна лампа, вентиль Флемінга. 1906 р. Американець Але все ж таки я пропущу історію розвитку не електронних аналогових обчислювальних машин і перейду безпосередньо до теми нашої статті. ai=30>Джон Амброз Флемінг Любителі майструвати руками можуть зібрати свій кишеньковий аналоговий калькулятор за цими інструкціями і навчитися ним користуватися. 26> до грудня 2012 року. Раптом знадобиться... створив, мабуть, один із найуспішніших аналоговий обчислювальний механізм — логарифмічну лінійку.Едвіном Армстронгом і застосований у першому електронному підсилювачі, а сама лампа названа тріодом< /span>Герольд Стевен Блек — 1927 р..
у дослідному центрі Bell Telephone Laboratories створює підсилювач із негативним зворотним зв'язком. Мал. 1. Підсилювач із зворотним негативним зв'язком. По суті всі електронні прилади (електронна лампа, біполярний транзистор, МОП-транзистор) працюють нелінійно. Негативний зворотний зв'язок виправляє цей недолік, жертвуючи коефіцієнтом посилення задля покращення лінійності (зменшення спотворень). Але негативний зворотний зв'язок може за певних умов стати позитивним, і тоді підсилювач перетвориться на генератор. Надалі, Гаррі Найквіст розробивтеорію про те, як зробити оос стабільною .30-40 рр. У 30-х роках Джордж А. Філбрік (George A. Philbrick US Patent 2,401,779, призначений для Bell Telephone Laboratories, Inc.) "Summing Amplifier". під індексом M9 Bell Labs отримала патент № 2,401,779 на "Summing amplifier"gun data computer Під час роботи над 1941 р. Мал. 2. Схема диференціального підсилювача. розвинув ідеї Matthews, шляхом зміщення спільних катодів диференціальної пари через загальний опір до землі. Alan Blumlein отримав патент на свій підсилювач, але патент стосувався широкосмугових сигналів, а не біологічних. Тим не менш, це був певний крок вперед у порівнянні з підсилювачем Matthews, оскільки він забезпечує найкраще виявлення помилки синфазного сигналу. Схеми підсилювачів Matthews та Blumlein представлені на рис. 2.Alan Blumlein1936 р. У, біолог за професією, описав схему диференціального підсилювача. Підсилювач дійсно мав диференціальні входи, але так як загальні катоди були прив'язані безпосередньо до джерела загального живлення, то він не оптимізований до мінімуму різниці напруги синфазного сигналу на входах. Зверніть увагу, що в ті дні синфазні сигнали часто згадуються як push-push сигнали для позначення сигналів по фазі на обох входах.Ст. H. C. Matthews1934 р. У У 30-х роках була необхідність сигналів низького рівня одержуваних від живої тканини. Для цього використовувалися різні лампові підсилювачі, такі підсилювачі часто називали «біологічний підсилювач». Хоча підсилювачі з використанням як зі зворотним зв'язком і так без зворотного зв'язку були покращені наприкінці 1930-х і протягом 1940-х років, варто відзначити кілька дуже цікавих подій у галузі диференціальних підсилювачів.), працюючи у Foxboro Corporation, розвивав аналогові схеми моделювання управління процесами з електронними лампами та пасивними елементами. Філбрік розробив багато цікавих схем, і деякі були предками операційного підсилювача.
Мал. 3. Схема та список компонентів підсилювача, що підсумовує.
Ця конструкція використовує три вакуумні лампи для досягнення посилення 90 дБ і управляється від напруги ± 350 В. Схема має єдиний вхід, що інвертує, а не диференціальний інвертуючий і неінвертуючий входи, як часто зустрічаються в сьогоднішніх операційних підсилювачах. Використання цієї схеми у військовому комп'ютері M9 разом із радарною системою SCR584 дало 90% точності ведення зенітного вогню. Вперше ця система була застосована в 1944 р. при висадці союзних військ в Італії. лампового операційного підсилювача і на сцену вийшов транзистор і згодом інтегральні схеми.теплого Лампові підсилювачі вдосконалювалися. Поліпшувалися схемотехнічні рішення, посилювалося посилення, точність, зменшувалося енергоспоживання. Але вже до початку 60-х років почався захід ери 50 рр. Рис.4. K2-W. Фотографія та електрична принципова схема.. Для інших я просто наведу рисунок 4.сторінка 2, сторінка 1 Якщо читачеві доведеться створювати схеми на цьому ОУ, то за посиланнями він може вивчити дата . При цьому його вартість становила близько $20. K2-W використовував два подвійні тріоди 12AX7 і був упакований у стандартний восьмиштирковий роз'єм. ОУ було побудовано на дизайні Лоеба Джулі. Працюючи на напрузі ±300В ОУ міг працювати з напругами на виході та вході до ±50В і мав коефіцієнт посилення понад 15000.K2-W, було випущено перший комерційний ОУ січні 1953 р Незабаром, у і став займався створенням операційних підсилювачів. Його роботи зіграли значної ролі у розвитку ОУ. George A. Philbrick Researches, Inc., (GAP/R)У 1946 р. Після звільнення з армії Джордж А. Філбрік створив компанію імені себе1953 р. (ОУ). Дизайн ОУ було розроблено Лоебом Джулі (Loebe Julie). Ця схема мала дві головні нововведення. Були використані засоби для зменшення дрейфу нуля підсилювача і, що важливіше, це був перший дизайн операційного підсилювача, який матиме два входи (одне інвертування, інше неінвертування). операційний підсилювач У Колумбійському університеті Нью-Йорка в ході проведення дослідницьких робіт з удосконалення аналогових обчислень для військових цілей виник термін Вільям Шоклі, Джон Бардін та < /span> У , продемонстрований 16 грудня . 23 грудня відбулося офіційне подання винаходу, і саме ця дата вважається днем винаходу транзистора. За технологією виготовлення він ставився до класу точкових транзисторів.біполярний транзистор у лабораторіях Bell Labs вперше створили діючий Уолтер Браттейн
травень 1954 року. Гордон Тіл з компанії Texas Instruments розробив кремнієвий транзистор.
У 1958 році Джек Кілбі з Texas Instruments винайшов інтегральну схему, тепер відому як універсальна ІС. Роботи Кілбі, однак, були не єдиними. На початку 1959 року, Роберт Нойс, інженер у компанії Fairchild Semiconductor, i=12>, також розробив концепцію ІС. Через 10 років, у 1968 році, Роберт Нойс та Гордон Мур підуть з Fairchild Semiconductor і організують фірму >Intel, але це вже зовсім інша історія. Ядро концепції Нойса було насправді ближчим до концепції сьогоднішніх ІС, оскільки він використовує взаємні з'єднання металевих шарів між транзисторами та резисторами. ІС Кілбі, навпаки, використовували зв'язки із проводів. Одна з версій історії створення ІС представлена в статті у Віртуальному комп'ютерному музеї. Мал. 5. Макет першої ІВ Кілбі. Мал. 6. Ілюстрація до патенту Нойса.1961 р. Як би там не було, в результаті, в 1961 році були зроблені перші інтегральні схеми операційних підсилювачів. Це був GAP/R P45 вартістю близько $120. Дані операційні підсилювачі були практично невеликими платами з крайовими роз'ємами. Як правило, вони комплектувалися з ретельно відібраних резисторів для того, щоб покращити характеристики ОУ, таких як напруга зміщення та дрейфу. ОУ GAP/R P45 мав посилення 94 дБ та харчувався напругою ±15V. ОУ мало мати справу з сигналами в діапазоні ±10V. Надалі ця напруга стала своєрідним стандартом. Мал. 7. ОУ GAP/R P45. Фотографія та електрична принципова схема.1961 р. Джордж А. Філбрік створює схему варакторного мостового операційного підсилювача. У цій схемі напруга змінних конденсаторів (varactors) використовується у вхідному каскаді операційного підсилювача. В результаті використання варакторного мосту було досягнуто найнижчий вхідний струм будь-якого ОУ. Навіть менше, ніж у ламп. Мал. 8 ілюструє у вигляді блок-схеми варакторний бруківок ОУ. Існують чотири основні компоненти, передня частина складається з бруківки і ланцюга високочастотного генератора, підсилювача змінного струму для посилення напруги помилки моста, синхронний детектор фази для перетворення змінного струму помилки для відповідного постійного струму помилки, і нарешті, вихідний підсилювач, що забезпечує додаткове посилення постійно та навантаження пристрою. Мал. 8. Блок-схема варакторного мостового операційного підсилювача. Схема працює так: невелика помилка напруги постійного струму
Vin застосовується до підібраних варакторних діодів D1 і D2 і викликає дисбаланс моста змінного струму, який подається до підсилювача змінного струму. Ця напруга змінного струму буде зрушена по фазі в залежності від напруги помилки постійного струму. Інші частини схеми посилюють і виявляють помилку постійного струму. Філбрік випустив операційний підсилювач GAP/R P2. Випущений 1966 року модифікований ОУ GAP/R SP2A міг посилювати вхідний струм порядку ±10pA (10−12).
У 1965 р. Рей Стейті Меттью Лорбер створюють Analog Devices, Inc. (ADI). Незабаром Льюїс Р. Сміт (Lewis R. Smith) створив варакторний підсилювач моделі 301, а також його правонаступників, моделі 310 і 311. Ці проекти змогли досягти суттєвого підвищення точності вхідних струмів до ±10fA (10−15) (приблизно на 3 порядки нижче GAP/R P2). Цікаво, 310 та 311 моделі продавалися за цінами близько $75. Ці підсилювачі й досі випускаються в обмеженій кількості
1967 р. Варто також зазначити, що ADI багато зробила для популяризації використання ОУ. Так, вона в 1967 році почала випускати журнал, який виходить до цього дня. Інтернет версія журналу – це форум для обміну рішеннями в галузі схемотехніки та програмного забезпечення для реальних пристроїв та систем обробки сигналів. У ньому розглядаються технології та методи для аналогових, цифрових та змішаних сигналів. Працюючи як шлюз до технологій компанії ADI, Analog Dialogue щомісяця публікується в Інтернеті. Вибрані технічні статті представлені також у щоквартальних друкованих виданнях. Перлман та Roger Noble йдуть зGAP/R і створюють невелику компаніюNexus Вони першими стали випускати ОУ, упаковані в прямокутні модулі з висновками, пристосованими для монтажу на друкованих платах. Така конструкція перетворила ОУ на «чорну скриньку», яку легко було розглядати як окремий елемент схеми. Модулі стали настільки популярними, що GAP/R змушена була випустити свій підсилювач у подібному корпусі. Мал. 9. ОУ GAP/R PP65. Фотографія та електрична принципова схема.1963 р.μA702 з Fairchild Semiconductor Corporation стала першою монолітною інтегральною схемою ОУ. μA702 розробив молодий інженер Роберт ДЖ (Боб) Відлар
. Професійна діяльність Відлара протягом усього семи років (1963-1970) багато в чому визначила розвиток аналогової мікроелектроніки. Але його μA702 точно не взяв світ штурмом. Він не був добре прийнятий, через незвичайні властивості — зайва напруга живлення, низький коефіцієнт посилення тощо. Тим не менш, незважаючи на ці недоліки, μA702 були встановлені деякі важливі для ІС тенденції в дизайні. >μA709. Він значно покращив характеристики μA702. Це і більший коефіцієнт посилення (45,000 або ~94dB), розширена до ±10V напруга входу/виходу, зменшення вхідного струму до 200nA та підвищення вихідного струму. Харчувався підсилювач від напруги ±15V. Компенсація частоти досягалася двома RC ланцюжками між контактами 1-8 і 6-5. μA709 швидко стали стандартом та вироблялися кілька десятиліть. Мал. 10 демонструє принципову схему μA709. Мал. 10. Електрична принципова схема μA709. Незважаючи на досить сильне поліпшення схеми в порівнянні з μA702, у підсилювача все ще були проблеми.1967 р. Боб Відлар перейшов до іншої компанії, National Semiconductor Corporation (NSC). Його наступний дизайн інтегральних схем LM101 був запущений в 1967 році. LM101 використовувала просту двоступінчасту топологію, яка стала вирішенням проблем μA709. Крім того, це був дизайн операційних підсилювачів, якого згодом слідували багато виробників. Спрощена схема LM101 показана малюнку 11. Мал. 11. Спрощена схема LM101. Цілями проекту LM101 було усунути такі проблеми μA709 як: • Відсутня захист від короткого замикання. • Комплексні частоти компенсації. • Чутливість до надмірної напруги диференціального входу. • Надмірна розсіювана потужність та обмежений діапазон живлення. • Чутливість до ємнісних навантажень. Новий дизайн LM101 вирішив проблеми μA709 і додав ще кілька поліпшень. Посилення збільшилось до 160 000 (~ 104 дБ), корисний діапазон живлення збільшився з ± 5V до ± 20V. Для легкої модернізації, LM101 використовували такі ж висновки, як μA709 для входу, виходу та живлення. в 1968 році випустила ОУ, розроблений Дейвом Фаллегером. Спрощена схема μA741 представлена на малюнку 12. Мал. 12. Спрощена схема μA741.
Хоча є очевидні відмінності в схемах, μA741 шлях проходження сигналу еквівалентний LM101, і він забезпечує подібну поведінку з точки зору короткого замикання входу та захисту від перенапруги, і має порівняну смугу пропускання. Відмінною особливістю μA741 була наявність 30pF конденсатора компенсації у чіпі, незабаром це стало стандартом.
LM101, з доданим користувачем конденсатором, були функціонально еквівалентні μA741. Однак простота у вживанні виявилася більш цінною користувачам, ніж гнучкість. National Semiconductor згодом зробив гібридний пакет з чіпа LM101 і 30pF конденсатора, але саме μA741 стали стандартом.
У вікіпедії цьому підсилювачу присвячена ціла стаття 1970 р. John Cadigan, працює в ADI, створює високошвидкісний операційний підсилювач. Відмінною здатністю цього ОУ було використання польових транзисторів у вхідному каскаді. ОУ було виконано як гібридна інтегральна схема. Нижче я наведу схему та фотографію досконалішого ОУ HQS-050, випущеного в 1977 році. Мал. 13. HSQ-050. Схема електрична принципова та фотографія. Думаю, що на цьому варто зупинитись. І як висновок наведу схему ще одного ОУ, який дозволить оцінити рівень схемотехніки сучасних операційних підсилювачів. Рис 14. AD549. Схема електрична принципова.У другій частині я коротко розгляну внутрішню схемотехніку операційного підсилювача. Використання операційних підсилювачів як елемент аналогових обчислювальних пристроїв я представлю в третій частині.
