Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 11: Ujemne sprzężenie zwrotne i historia wzmacniaczy operacyjnych

Article Image
Wzmacniacze operacyjne i układy z ujemnym sprzężeniem zwrotnym są dziś wszechobecne i można by pomyśleć, że istnieją od zawsze. Był jednak czas, gdy elektronika wciąż się rozwijała, a takie układy nie zostały jeszcze wynalezione. Zmieniło się to w 1927 roku wraz z pomysłem pewnego sprytnego człowieka...
1. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 1: Od mikroprocesorów do mikrokontrolerów 2. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 2: Układy scalone 3. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 3: Tranzystory 4. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 4: Półprzewodniki mocy 5. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 5: Diody elektroluminescencyjne (Light Emitting Diodes) 6. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 6: Transoptory 7. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 7: Monochromatyczne wyświetlacze LCD 8. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 8: Mikrofony 9. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 9: Źródła prądowe 10. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 10: Wszystko o kondensatorach 11. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 11: Ujemne sprzężenie zwrotne i historia wzmacniaczy operacyjnych 12. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 12: Tranzystory MOSFET 13. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 13: Elementy o nieliniowej rezystancji 14. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 15: Obwody mostkowe 15. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 16: Wzmacniacze jedno- i dwutranzystorowe 16. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 17: Generatory sygnału na wzmacniaczach operacyjnych 17. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 18: Czujniki Halla 18. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 19: Czujniki ciśnienia 19. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 20: Oscylatory
Rozwiń cały spis treści Zwiń spis treści

Jednym z najbardziej znaczących wczesnych pomysłów w dziedzinie układów elektronicznych było wynalezienie przez Harolda Stevena Blacka ujemnego sprzężenia zwrotnego. W 1927 roku Harold S. Black (1898...1983) płynął promem w kierunku swojego biura w West Street Labs firmy Western Electric, prekursora Bell Telephone Laboratories w Nowym Jorku. W jego głowie pojawił się pomysł, który diametralnie zmienił komunikację elektroniczną i utworzył nowe perspektywy dla rozwoju układów elektronicznych.

Jego pomysł dotyczył wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, w którym wzmocnienie jest dokładnie ustawione, a zniekształcenia ograniczone poprzez doprowadzenie części sygnału wyjściowego z powrotem do wejścia wzmacniacza. Black naszkicował swój pomysł na błędnie wydrukowanej stronie swojego egzemplarza New York Timesa, jedynej gazety, jaką miał przy sobie. Kiedy Black dotarł do swojego biura, poprosił kolegę o poświadczenie i podpisanie szkicu.

Przedtem, przez ostatnie sześć lat Black pracował nad ulepszeniem trzy- i czterokanałowych wzmacniaczy telefonicznych. W przypadku długodystansowych połączeń telefonicznych konieczne było dodanie repeaterów w celu odtworzenia sygnału słabnącego w miarę pokonywania odległości. Jednak wzmacniacze te miały zbyt duże zniekształcenia, więc zanim sygnał audio dotarł do miejsca docelowego, był niezrozumiały. Black zdał sobie sprawę, że zniekształcenia i szumy wzmacniacza można zmniejszyć za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego, kosztem zmniejszonego wzmocnienia wzmacniacza. Później powiedział, że nie wie, co sprawiło, że jego pomysł pojawił się w jego głowie – po prostu przyszedł.

Black użył swojego nowego pomysłu do zaprojektowania szerokopasmowych wzmacniaczy o niskich zniekształceniach, które w końcu nadawały się do długodystansowych połączeń telefonicznych. Umożliwiło to przesyłanie większej liczby kanałów przez parę przewodów.

Jego patenty

Harold S. Black otrzymał w swojej karierze 62 patenty, z których 18 dotyczyło ujemnego sprzężenia zwrotnego. Jego najbardziej znanym patentem jest numer 2,102,671, który można zobaczyć na stronie https://patents.google.com/patent/US2102671A (jeśli zastąpisz numer w tym linku innymi numerami patentów plus prefiks „US”, możesz wyświetlić odpowiedni plik PDF).

Patent ten, zatytułowany „WAVE TRANSLATION SYSTEM”, został złożony w 1932 roku i przyznany w 1937 roku. Liczy on 87 stron i zawiera wiele szczegółowych rysunków (w tym obwodów i wykresów) oraz mnóstwo tekstu objaśniającego. Jeden z najważniejszych zestawów schematów obwodów (ale nie jedyny!) w tym patencie, pojawiający się na stronie czwartej. Pokazuje on cztery różne sposoby realizacji jego pomysłu przy użyciu lamp elektronowych. Inne ważne wątki w patencie obejmują charakterystyki wzmocnienia, kryteria stabilności, obwody równoważne i kilka praktycznych implementacji wynalazku.

Znaczenie negatywnych informacji zwrotnych

Niemal wszystkie produkowane obecnie urządzenia analogowe korzystają z ujemnego sprzężenia zwrotnego. Obejmuje to układy obsługujące sygnały audio, analogowe wideo, sterowanie silnikami, monitorowanie baterii, oprzyrządowanie, a czasem także RF.

Rozwiązanie to jest stosowane w telewizorach, radiach, komputerach, sprzęcie medycznym, układach sterujących, przyrządach pomiarowych i telefonach komórkowych. Bardzo trudno jest znaleźć urządzenie elektroniczne, które nie korzysta z ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Wzmacniacze operacyjne

Utorowało to drogę do rozwoju wzmacniaczy operacyjnych (op amps); zasadniczo, monolitycznej implementacji układu, który zawiera ujemne sprzężenie zwrotne. Dostępne są tysiące różnych typów wzmacniaczy operacyjnych, które pasują do niemal każdego zastosowania – typy o niskim poborze mocy, typy o wysokiej szybkości działania, typy o wysokim wzmocnieniu, typy precyzyjne, pojedyncze, podwójne, poczwórne itp.

Termin „wzmacniacz operacyjny” pochodzi z około 1943 roku, kiedy to nazwa ta została wymieniona w artykule napisanym przez R. Ragazinniego pod tytułem „Analiza problemów w dynamice”. Artykuł był dziełem amerykańskiej Narodowej Rady Badań Obronnych (1940), został opublikowany przez IRE w maju 1947 roku i jest uważany za klasyczne dzieło w literaturze elektronicznej.

Firma George A. Philbrick Researches wprowadziła bazujący na lampach elektronowych wzmacniacz operacyjny ogólnego zastosowania K2-W w 1952 roku, ponad dekadę przed pojawieniem się pierwszej wersji tranzystorowej.

Pierwszy tranzystor półprzewodnikowy został pomyślnie zademonstrowany 23 grudnia 1947 roku, ale minęło trochę czasu, zanim tranzystory znalazły się w powszechnym użyciu. Pierwsza seria półprzewodnikowych wzmacniaczy operacyjnych została wprowadzona przez Burr-Brown Research Corporation i GA Philbrick Researches Inc. w 1962 roku.

Pierwszym półprzewodnikowym monolitycznym wzmacniaczem operacyjnym, zaprojektowanym przez Boba Widlara w 1963 roku i oferowanym publicznie, był uA702 produkowany przez Fairchild Semiconductors. Wymagał jednak dziwnych napięć zasilania, takich jak +12 V i –6 V, i miał tendencję do przepalania się. Mimo to był najlepszy w swoich czasach i sprzedawany za około 300 USD (dziś to fortuna!). Ze względu na wysoką cenę był używany głównie przez amerykańskie wojsko.

Następnie uA709 od Fairchild Semiconductors pojawił się w 1965 roku. Został on wprowadzony na rynek w cenie około 70 USD i jako pierwszy przełamał barierę ceny 10 USD, a niewiele później barierę 5 USD. W 1969 roku wzmacniacze operacyjne były sprzedawane za około 2 dolary za sztukę. Od tego momentu wielu producentów produkuje wzmacniacze operacyjne w wielu odmianach, aż do dnia dzisiejszego.

Jednym ze szczególnie popularnych modeli był uA741, który został ulepszony od czasu jego pierwszego wprowadzenia w 1968 roku. Niektóre jego warianty, takie jak LM741, są produkowane do dziś! Jego równoważny obwód pokazano na rysunku 5. Nowoczesne wzmacniacze operacyjne działają na tych samych zasadach, ale różnią się niektórymi szczegółami implementacji, takimi jak metoda wewnętrznej kompensacji częstotliwościowej.

Dużą zaletą wzmacniacza operacyjnego jest jego elastyczność. Może on wykonywać szeroki zakres „funkcji” analogowych po dodaniu kilku elementów pasywnych. Funkcje te obejmują mieszanie sygnałów, wzmacnianie, filtrowanie (dolnoprzepustowe, górnoprzepustowe, pasmowoprzepustowe, wąskopasmowe itp.), całkowanie, różniczkowanie, mnożenie, symulowaną indukcyjność i inne. O wzmacniaczach operacyjnych można myśleć jako o „koniach pociągowych” współczesnej elektroniki układów analogowych.

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie
Kup teraz
1. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 1: Od mikroprocesorów do mikrokontrolerów 2. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 2: Układy scalone 3. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 3: Tranzystory 4. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 4: Półprzewodniki mocy 5. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 5: Diody elektroluminescencyjne (Light Emitting Diodes) 6. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 6: Transoptory 7. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 7: Monochromatyczne wyświetlacze LCD 8. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 8: Mikrofony 9. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 9: Źródła prądowe 10. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 10: Wszystko o kondensatorach 11. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 11: Ujemne sprzężenie zwrotne i historia wzmacniaczy operacyjnych 12. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 12: Tranzystory MOSFET 13. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 13: Elementy o nieliniowej rezystancji 14. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 15: Obwody mostkowe 15. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 16: Wzmacniacze jedno- i dwutranzystorowe 16. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 17: Generatory sygnału na wzmacniaczach operacyjnych 17. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 18: Czujniki Halla 18. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 19: Czujniki ciśnienia 19. Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 20: Oscylatory
Rozwiń cały spis treści Zwiń spis treści
Firma:
Tematyka materiału: Harold Steven Black, Znaczenie negatywnych informacji zwrotnych, Wzmacniacze operacyjne, Ujemne sprzężenie zwrotne, Podstawowe układy ze wzmacniaczami operacyjnymi, Ograniczenia amplitudy sygnału, Bufor o jednostkowym wzmocnieniu, Wzmacniacz nieodwracający, Wzmacniacz odwracający, Wirtualny mieszacz, Wzmacniacz różnicowy, Prostowniki precyzyjne, Aktywny filtr dolnoprzepustowy, Aktywny filtr górnoprzepustowy, Aktywny filtr pasmowoprzepustowy, Aktywny filtr wycinający, Filtr aktywny Baxandall
AUTOR
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich październik 2023
Udostępnij
Zobacz wszystkie quizy
Quiz weekendowy
Edukacja
1/10 Jak działa rezystor LDR?
Oceń najnowsze wydanie EdW
Wypełnij ankietę i odbierz prezent
W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok
Elektronika dla Wszystkich
październik 2023
Elektronika dla Wszystkich
Przejrzyj i kup
UK Logo
Elektronika dla Wszystkich
Zapisując się na nasz newsletter możesz otrzymać GRATIS
najnowsze e-wydanie magazynu "Elektronika dla Wszystkich"