Ана́логовый компьютер — аналоговая вычислительная машина (АВМ), которая представляет числовые данные при помощи аналоговых физических переменных (скорость, длина, напряжение, ток, давление), в чём и состоит его главное отличие от цифрового компьютера.

Аналоговые компьютеры основываются на задании физических характеристик их составляющих. Стоит отметить, что аналоговый компьютер бывает не только электрический, но и механический, жидкостной и даже газовый.

Несмотря на кажущийся анахронизм, аналоговые вычислители широко используются в современной жизни. Автомобильная автоматическая трансмиссия является примером гидромеханического аналогового компьютера, в котором при изменении вращающего момента жидкость в гидроприводе меняет давление, что позволяет получить необходимый результат.

Аналоговые устройства обработки электрических сигналов продолжают занимать важное место в промышленной электронике. Это объясняется тем, что большинство типов первичных преобразователей физических величин — датчики температуры, давления и пр. — являются источниками аналоговых сигналов, а многие исполнительные элементы в объектах управления — электродвигатели, электромагниты и т.п. — управляются непрерывно изменяющимся электрическим током. Сложные системы управления, основой которых являются цифровые вычислительные комплексы, сопрягаются с объектами управления и датчиками с помощью аналоговых и аналого-цифровых устройств.

В связи с объемностью материала, который хотелось бы представить, я планирую написать цикл статей. Предлагаю на суд читателя первую часть, где будет кратко рассказана история создания операционного усилителя в том виде, как мы его знаем.

Часть первая. Краткая история создания операционного усилителя.

История использования АВМ насчитывает несколько тысячелетий. Интересующиеся могут начать свои поиски со статьи в википедии.

Но в данной статье я остановлюсь лишь на датах, непосредственно качающихся истории создания электронного операционного усилителя. И начну я с даты, которая на первый взгляд, никак не относится к теме статьи.

1614 г. Шотландский математик Джон Непер публикует «Канон о логарифмах», который начинался так: «Осознав, что в математике нет ничего более скучного и утомительного, чем умножение, деление, извлечение квадратных и кубических корней, и что названные операции являются бесполезной тратой времени и неиссякаемым источником неуловимых ошибок, я решил найти простое и надежное средство, чтобы избавиться от них».

Позволю себе напомнить про некоторые свойства логарифмов. Из свойств логарифма следует, что вместо трудоёмкого умножения многозначных чисел достаточно найти (по таблицам) и сложить их логарифмы, а потом по тем же таблицам выполнить потенцирование, то есть найти значение результата по его логарифму. Выполнение деления отличается только тем, что логарифмы вычитаются.
В виде формул это выглядит так:

lg(xy) = lg(x) + lg(y) для умножения
lg(x/y) = lg(x) - lg(y) для деления

Непер же создал первые таблицы логарифмов тригонометрических функций.
Школьники докомпьютерной эпохи должны помнить, что такое четырехзначные таблицы Брадиса.

1622 г. Английский математик-любитель Уильям Отред создал, пожалуй, один из самых успешных аналоговых вычислителей - логарифмическую линейку.

Любители мастерить руками могут собрать свой карманный вычислитель по этим инструкциям и научиться им пользоваться до декабря 2012. Вдруг пригодится...

Теперь пропустим историю развития не электронных аналоговых вычислителей и перейдем непосредственно к теме нашей статьи.

1904 г. В ноябре 1904 года Джон Амброз Флеминг изобрёл выпрямитель на двухэлектродной электронной лампе, который он назвал осцилляторный вентиль. Изобретение носит также названия: лампа с термокатодом, вакуумный диод, кенотрон, термоионная лампа, вентиль Флеминга.

1906 г. Американец Ли де Форест добавил в электронную лампу управляющую «сетку» и создал радиочастотный детектор, названный аудион, но Флеминг обвинил его в копировании своих идей. Прибор де Фореста был вскоре доработан им и Эдвином Армстронгом и применён в первом электронном усилителе, а сама лампа названа триодом.

1927 г. - Герольд Стевен Блэк в исследовательском центре Bell Telephone Laboratories создает усилитель с отрицательной обратной связью.

Рис. 1. Усилитель с обратной отрицательной связью.

По своей сути все электронные приборы (электронная лампа, биполярный транзистор, МОП-транзистор) работают нелинейно. Отрицательная обратная связь исправляет этот недостаток, жертвуя коэффициентом усиления ради улучшения линейности (уменьшения искажений). Но отрицательная обратная связь может при определенных условиях стать положительной, и тогда усилитель превратится в генератор. В последствии, Гарри Найквист разработал теорию о том, как сделать оос стабильной.

30-40 гг. В 30-ых годах Джордж А. Филбрик (George A. Philbrick), работая в Foxboro Corporation, развивал аналоговые схемы моделирования управления процессами с электронными лампами и пассивными элементами. Филбрик разработал много интересных схем, и некоторые были предками операционного усилителя.

Хотя усилители с использованием как с обратной связью и так без обратной связи были улучшены в конце 1930-х и на протяжении 1940-х годов, стоит отметить несколько очень интересных событий в области дифференциальных усилителей.

В 30-х годах была необходимость в сигналов низкого уровня получаемых от живой ткани. Для этого использовались различные ламповые усилители, такие усилители часто называли "биологический усилитель".

В 1934 г. В. H. C. Matthews, биолог по профессии, описал схему дифференциального усилителя. Усилитель действительно имеел дифференциальные входы, но так как общие катоды были привязаны непосредственно к источнику общего питания, то он не оптимизирован к минимуму разницы напряжений синфазного сигнала на входах. Обратите внимание, что в те дни синфазные сигналы часто упоминаются, как push-push сигналы, для обозначения сигналов по фазе на обоих входах.

В 1936 г. Alan Blumlein развил идеи Matthews, путем смещения общих катодов дифференциальной пары через общее сопротивление к земле. Alan Blumlein получил патент на свой усилитель, но патент касался широкополосных сигналов, а не биологических. Тем не менее, это был определенный шаг вперед по сравнению с усилителем Matthews, так как он обеспечивает лучшее обнаружение ошибки синфазного сигнала. Схемы усилителей Matthews и Blumlein представлены на рис. 2.

Рис. 2. Схема дифференциального усилителя.

1941 г. В ходе работы над gun data computer под индексом M9 Bell Labs получила патент № 2,401,779 на "Summing amplifier".

Schematic diagram and component values for "Summing Amplifier"
US Patent 2,401,779, assigned to Bell Telephone Laboratories, Inc.)
Рис. 3. Схема и список компонентов суммирующего усилителя.

Эта конструкция использует три вакуумных лампы для достижения усиления 90 дБ и управляется от напряжения ± 350 В. Схема имеет единственный инвертирующий вход, а не дифференциальной инвертирующий и неинвертирующий входы, как часто встречаются в сегодняшних операционных усилителях. Использование данной схемы в военном компьютере M9 вместе с радарной системмой SCR584 дало 90% точности ведения зенитного огня. Впервые данная система была применена в 1944 г. при высадке союзных войск в Италии.

1947 г. В Колумбийском университете Нью-Йорка в ходе проведения исследовательских работ по совершенствованию аналоговых вычислений для военных целей возник термин операционный усилитель (ОУ). Дизайн ОУ был разработан Лоебом Джули (Loebe Julie). У этой схемы было два главных новшества. Были применены средства для уменьшения дрейфа нуля усилителя и, что более важно, это был первый дизайн операционного усилителя, который будет иметь два входа (одно инвертирование, другое неинвертирование).

1953 г. В 1946 г. После увольнения из армии Джордж А. Филбрик создал компанию имени себя George A. Philbrick Researches, Inc., (GAP/R) и стал занимался созданием операционных усилителей. Его работы сыграли важную роль в развитии ОУ.

Вскоре, в январе 1953 г, был выпущен первый коммерческий ОУ K2-W. При этом его стоимость была около $20. K2-W использовал два двойных триода 12AX7 и был упакован в стандартный восьмиштырьковый разъем. ОУ был построен на дизайне Лоеба Джули. Работая на напряжении ±300В ОУ мог работать с напряжениями на выходе и входе до ±50В и имел коэффициент усиления более 15000.
Если читателю придется создавать схемы на этом ОУ, то по ссылкам он может изучить даташит страница 1, страница 2. Для остальных я просто приведу рисунок 4.

Рис.4. K2-W. Фотография и электрическая принципиальная схема.

50 гг. Ламповые усилители совершенствовались. Улучшались схемотехнические решения, увеличивалось усиление, точность, уменьшалось энергопотребление. Но уже к началу 60-х годов начался закат эры теплого лампового операционного усилителя и на сцену вышел транзистор и в последствии, интегральные схемы.

1947 г. Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор, продемонстрированный 16 декабря. 23 декабря состоялось официальное представление изобретения и именно эта дата считается днём изобретения транзистора. По технологии изготовления он относился к классу точечных транзисторов.

В мае 1954 года. Гордон Тил из компании Texas Instruments разработал кремниевый транзистор.

В 1958 году Джек Килби из Texas Instruments изобрел интегральную схему, теперь известную как универсальная ИС. Работы Килби однако были не единственными. В начале 1959 года, Роберт Нойс, инженер в компании Fairchild Semiconductor, также разработал концепцию ИС. Через 10 лет, в 1968 году, Роберт Нойс и Гордон Мур уйдут из Fairchild Semiconductor и организуют фирму Intel, но это уже совсем другая история.

Ядро концепции Нойса было на самом деле ближе к концепции сегодняшним ИС, так как он использует взаимные соединения металлических слоев между транзисторами и резисторами. ИС Килби, напротив, использовали связи из проводов.
Одна из версий истории создания ИС представлена в статье в Виртуальном компьютерном музее.

Рис. 5. Макет первой ИС Килби.

Рис. 6. Илюстрация к патенту Нойса на ИС.

1961 г. Как бы то ни было, в результате, в 1961 году были произведены первые интегральные схемы операционных усилителей. Это был GAP/R P45 стоимостью около $120. Данные операционные усилители были фактически небольшими платами с краевыми разъемами. Как правило, они комплектовались из тщательно отобранных резисторов для того, чтобы улучшить характеристики ОУ, таких как напряжение смещения и дрейфа.

ОУ GAP/R P45 имели усиление 94 дБ и питался напряжением ±15V. ОУ должно было иметь дело с сигналами в диапазоне ±10V.
В последствии, эти напряжения стали своеобразным стандартом.

Рис. 7. ОУ GAP/R P45. Фотография и электрическая принципиальная схема.

1961 г. Джордж А. Филбрик создает схему варакторного мостового операционного усилителя.
В этой схеме, напряжение переменных конденсаторов (varactors) используются в входном каскаде операционного усилителя. В результате использования варакторного моста был достигнут самый низкий входной ток любого ОУ. Даже меньше чем у ламп.

Рис. 8 иллюстрирует в виде блок-схемы варакторный мостовой ОУ. Существуют четыре основных компонента, передняя часть состоит из мостовой схемы и цепи высокочастотного генератора, усилителя переменного тока для усиления напряжения ошибки моста, синхронный детектор фазы для преобразования переменного тока ошибки для соответствующего постоянного тока ошибки, и наконец, выходной усилитель, обеспечивающий дополнительное усиление постоянного тока и нагрузки устройства.

Рис. 8. Блок-схема варакторного мостового операционного усилителя.

Схема работает следующим образом: небольшая ошибка напряжения постоянного тока Vin применяется к подобранным варакторным диодам D1 и D2 и вызывает дисбаланс моста переменного тока, который подается в усилитель переменного тока. Это напряжение переменного тока будет сдвинутым по фазе в зависимости от напряжения ошибки постоянного тока. Остальные части схемы усиливают и обнаруживают ошибку постоянного тока. Филбрик выпустил операционный усилитель GAP/R P2. Выпущенный в 1966 году модифицированный ОУ GAP/R SP2A мог усиливать входной ток порядка ±10pA (10⁻¹²).

В 1965 г. Рэй Стейти Мэттью Лорбер создают Analog Devices, Inc. (ADI). Вскоре, Льюис Р. Смит (Lewis R. Smith) создал варакторный усилитель модели 301, а также его правопреемников, модели 310 и 311. Эти проекты смогли добиться существенного повышения точности входных токов до ±10fA (10⁻¹⁵) (примерно на 3 порядка ниже GAP/R P2). Интересно, 310 и 311 модели продавались по ценам порядка $75. Эти усилители и по сей день выпускаются в ограниченном количестве

1967 г. Стоит также отметить, что ADI много сделала для популяризации использования ОУ. Так, она в 1967 году начала выпускать журнал Analog Dialogue Magazine, который выходит по сей день. Интернет версия журнала - это форум для обмена решениями в области схемотехники и программного обеспечения для реальных устройств и систем обработки сигналов. В нем рассматриваются технологии и методы для аналоговых, цифровых и смешанных сигналов. Работая в качестве шлюза к технологиям компании ADI, Analog Dialogue ежемесячно публикуется в Интернете. Избранные технические статьи представлены также в ежеквартальных печатных изданиях.

1962 г. Алан Перлман и Roger Noble уходят из GAP/R и создают небольшую компанию Nexus Research Laboratory, Inc. Они первыми стали выпускать ОУ, упакованные в прямоугольные модули с выводами, приспособленными для монтажа на печатных платах. Такая конструкция превратила ОУ в "черный ящик", который легко было рассматривать как отдельный элемент схемы. Модули стали настолько популярны, что GAP/R вынуждена была выпустить свой усилитель в подобном корпусе.

Рис. 9. ОУ GAP/R PP65. Фотография и электрическая принципиальная схема.

1963 г. μA702 из Fairchild Semiconductor Corporation стала первый монолитной интегральной схемой ОУ. μA702 разработал молодой инженер Роберт ДЖ (Боб) Видлар. Профессиональная деятельность Видлара в течение всего семи лет (1963—1970) во многом определила развитие аналоговой микроэлектроники. Но его μA702 точно не взял мир штурмом. Он не был хорошо принят, из-за необычных свойств - лишнее напряжение питания, низкий коэффициент усиления, и т.д. Тем не менее, несмотря на эти недостатки, μA702 были установлены некоторые важные для ИС тенденции в дизайне.

1965 г. Выпущен μA709. Он значительно улучшил характеристики μA702. Это и больший коэффициент усиления (45,000 или ~94dB), расширенное до ±10V напряжение входа/выхода, уменьшение входного тока до 200nA и повышение выходного тока. Питался усилитель от напряжения ±15V. Компенсация частоты достигалась двумя RC цепочками между контактами 1-8, и 6-5. μA709 быстро стали стандартом и производились несколько десятилетий. Рис. 10 демонстрирует принципиальную схему μA709.

Рис. 10. Электрическая принципиальная схема μA709.

Несмотря на достаточно сильное улучшение схемы по сравнению с μA702, у усилителя все еще были проблемы.

1967 г. Не желая почивать на лаврах своих ОУ μA702 и μA709, Боб Видлар перешел к другой компании, National Semiconductor Corporation (NSC). Его следующий дизайн интегральных схем, LM101, был запущен в 1967 году. LM101 использовала простую двухступенчатую топологию, которая явилась решением проблем μA709. Кроме того, это был дизайн операционных усилителей, которому впоследствии следовали многие производители. Упрощенная схема LM101 показана на рисунке 11.

Рис. 11. Упрощенная схема LM101.

Целями проекта LM101 было устранить такие проблемы μA709 как:
• Отсутствует защита от короткого замыкания.
• Комплексные частоты компенсации.
• Чувствительность к чрезмерному напряжению дифференциального входа.
• Чрезмерное рассеиваемая мощность и ограниченный диапазон питания.
• Чувствительность к емкостным нагрузкам.

Новый дизайн LM101 решил проблемы μA709, и добавил еще несколько улучшений. Усиление увеличилось до 160 000 (~ 104 дБ), полезный диапазон питания увеличился с ± 5V до ± 20V. Для легкой модернизации, LM101 использовали такие же выводы, как μA709 для входа, выхода и питания.

1968 г. Меньше, чем через год после выпуска LM101, Fairchild в 1968 году выпустила ОУ μA741, разработанный Дэйвом Фаллэгэром. Упрощенная схема μA741 представлена на рисунке 12.

Рис. 12. Упрощенная схема μA741.

Хотя есть очевидные различия в схемах, в μA741 путь прохождения сигнала эквивалентен LM101, и он обеспечивает подобное поведение с точки зрения короткого замыкания входа и защиты от перенапряжения, и имеет сопоставимую полосу пропускания. Отличительной особенностью μA741 было наличие 30pF конденсатора компенсации в чипе, вскоре это стало стандартом.

LM101, с добавленным пользователем конденсатором, были функционально эквивалентны μA741. Однако простота в употреблении оказалась более ценна пользователям, чем гибкость. National Semiconductor в последствии сделал гибридный пакет из чипа LM101 и 30pF конденсатора, но именно μA741 стали стандартом.

В википедии этому усилителю посвящена целая статья.

1970 г. John Cadigan, работающий в ADI, создает высокоскоростной операционный усилитель. Отличительный способностью этого ОУ было использование полевых транзисторов во входном каскаде. ОУ был выполнен как гибридная интегральная схема. Ниже я приведу схему и фотографию более совершенного ОУ HQS-050, выпущенного в 1977 году.

Рис. 13. HSQ-050. Схема электрическая принципиальная и фотография.

Думаю, что на этом стоит остановиться. И в качестве заключительного аккорда приведу схему еще одного ОУ, который позволит оценить уровень схемотехники современных операционных усилителей.