Планировалось, что эта публикация будет открывать цикл «Операционные усилители». Однако при работе над циклом оказалось, что туда просто необходимо включить большой объём данных и писать очень сухо, чтобы не превращать его в нечитаемый лонгрид. Усложнять и без того сложный материал решениями на устаревшей элементной базе очень не хотелось.
При этом и конструктивные, и схемотехнические решения операционного усилителя K2-W отлично иллюстрируют техническую культуру того времени и заслуживают подробного описания. Я долго подбирал слова, многократно эту статью переписывал, и только сейчас решил её опубликовать.
История эта началась в январе 1952 года, когда Джордж Филбрик (George Philbrick) и его компания GAP/R (George A. Philbrick Researches, Inc) выпустили операционный усилитель K2-W на двух лампах 12AX7.
Термин «операционный усилитель» появился задолго до этого, ещё в ранние сороковые. Лампы 12AX7 стали массово выпускаться, начиная ещё с 1948 года. Для усиления сигналов электронные лампы стали применяться прямо с момента их создания в 1906 году. Что же изменилось?
Принципиально новым было то, что операционный усилитель K2-W имел модульную конструкцию и выпускался промышленностью как «типовой элемент замены». В дальнейшем серия K2 имела продолжение, модели ряда отличались параметрами, но всё равно оставались «типовыми»: имели одинаковую «цоколёвку», схемы включения, параметры электропитания.
▍ Схемотехника операционного усилителя K2-W
Если в предыдущих публикациях цикла схемотехника интегральных ОУ осталась «за кадром», то схемотехническое решение K2-W заслуживает подробного описания.
Ламповая схемотехника очень лаконична, но крайне выразительна. Операционный усилитель K2-W собран всего на двух двойных триодах, двух «неонках», трёх конденсаторах и десяти резисторах.
Как и остальные операционные усилители, K2-W является усилителем постоянного напряжения с двухполярным питанием. Напряжение питания: ± 300 В. Цепи накала ламп питаются от источника переменного напряжения ~ 6.3 В.
На левом по схеме двойном триоде 12AX7 собран дифференциальный каскад. Основным свойством дифференциального каскада является то, что напряжение на его выходе прямо пропорционально разности потенциалов на его входах.
При равном потенциале на обоих входах каскад находится в состоянии равновесия. Поскольку анодные цепи каскада подключены к источнику постоянного напряжения «+300VDC», а катодные — к «-300VDC», в идеальном варианте напряжение на выходе каскада должно быть равно нулю.
При подаче на вход «NEG INPUT» потенциала выше, чем на входе «POS INPUT», ток через левый триод увеличивается, что приводит к увеличению падения напряжения на катодном резисторе.
Поскольку катоды «плеч» дифференциального каскада соединены вместе, напряжение на катоде правого триода тоже увеличивается. Анодный ток правого по схеме триода при этом уменьшается из-за того, что потенциал на управляющей сетке становится более отрицательным относительно потенциала катода. Напряжение на выходе дифференциального каскада увеличивается.
Теперь для того, чтобы достичь состояния равновесия, потенциал на входе «POS INPUT» нужно поднять на такую величину, чтобы это отрицательное смещение компенсировать.
Подадим на вход «POS INPUT» потенциал, равный потенциалу входа «NEG INPUT». Анодный ток правого по схеме триода от этого начнёт расти, и напряжение на выходе каскада будет уменьшаться. Падение напряжения на катодном резисторе начнёт увеличиваться, от чего левый по схеме триод начнёт запираться… В конечном счёте, в результате всех этих процессов на выходе дифференциального каскада должен установиться ноль.
Из описания работы дифференциального каскада мы видим, что увеличение потенциала на входе «POS INPUT» уменьшает напряжение на выходе каскада, а увеличение потенциала на входе «NEG INPUT» его увеличивает. Должно быть наоборот. Переходим к правой по схеме лампе.
На левом триоде правой по схеме лампы 12AX7 собран усилитель напряжения. Выходной сигнал дифференциального усилителя поступает на его управляющую сетку через делитель напряжения. Усилитель этот — инвертирующий, следовательно, напряжение на его выходе увеличивается сигналом на входе «POS INPUT», а сигналом на входе «NEG INPUT» — уменьшается.
Катодный повторитель на правом триоде используется в качестве выходного каскада. Поскольку K2-W обеспечивает на нагрузке 50 кОм ток всего 1 мА, назвать этот каскад усилителем мощности затруднительно, но именно им он и является.
Катодные цепи усилителя напряжения и усилителя мощности подключены к выводу «GND». Этот вывод можно подключить к общему проводу напрямую, а можно, изменяя на нём потенциал, «выставить ноль» на выходе операционного усилителя. «Коррекцию нуля» также можно произвести и другими методами, например, заданием смещения на неинвертирующем входе ОУ, как показано на правой части рисунка.
Отдельного описания заслуживают цепи между половинками правой по схеме лампы операционного усилителя. Конденсатор между выходом ОУ и входом усилителя напряжения является частью цепи частотной коррекции. Понятно, что цепь между выходом усилителя напряжения и входом усилителя мощности осуществляет и передачу сигнала, и частотную коррекцию. Непонятно, что там делают две неоновые лампы.
Обратимся к схеме электрической принципиальной K2-WJ — более поздней модели ОУ:
Мы видим, что неоновые лампы заменили здесь стабилитроном 1N1327. Отсюда можно сделать вывод, что изначально они выполняли функцию задания фиксированного напряжения смещения между выходом усилителя напряжения и входом усилителя мощности.
Малоизвестный ныне факт, но неоновые лампы использовали раньше не только в качестве источников опорного напряжения (газоразрядных стабилитронов), но на них даже собирали мультивибраторы и триггеры.
▍ Электрические характеристики операционного усилителя K2-W
Итак, операционный усилитель K2-W — это усилитель постоянного напряжения с двухполярным питанием ± 300 В, напряжение на выходе которого зависит от разности потенциалов на двух высокоомных входах, инвертирующем и неинвертирующем.
Характеристики K2-W могут показаться скромными. Диапазон входных напряжений: ± 50 В; диапазон выходных напряжений: ± 50 В; выходной ток на активной нагрузке 50 кОм: не менее 1 мА; коэффициент передачи: не менее 15000; потребляемый ток от источника ± 300 В: не более 4.5 мА; ток накала от источника ~ 6.3 В: не более 600 мА.
Тем не менее, для 1952 года это было более чем неплохо, и цена 34$ за один K2-W не казалась заоблачной.
▍ Конструкция операционного усилителя K2-W
Конструктивное решение операционного усилителя навесным монтажом между выводами ламповых панелек очень характерно для своего времени:
Установка ламп в панельки была обусловлена необходимостью их замены при выходе из строя или потере ресурса. Ненадёжность паяных соединений компенсировалась накруткой выводов элементов вокруг монтажных отверстий.
Установка модуля ОУ в «октальную» ламповую панельку по-своему гениальна: это был один из самых массовых разъёмов того времени. Надёжность его, как и любой другой ламповой панельки, была невысокой, но это очень хорошо компенсировалось низкой ценой.
▍ Применение операционного усилителя K2-W в АВМ
Операционные усилители как класс были разработаны для производства вычислений, что следует прямо из их названия. «Обвязав» ОУ разными цепями обратной связи, можно было заставить их производить разные вычисления или «операции».
Устройства, объединяющие несколько операционных усилителей и облегчающие их конфигурирование в вычислительные цепочки, называются аналоговыми вычислительными машинами. На рисунке ниже показана одна из них:
Мне ещё посчастливилось поработать на АВМ «живьём». Для тех, кто никогда с ними не сталкивался, сделаю несколько пояснений.
АВМ состоит из нескольких звеньев, реализованных на операционных усилителях. Любой из ОУ можно сконфигурировать по-своему. Например, один ОУ можно настроить как интегрирующее звено, другой — как пропорциональное, а третий — как сумматор. Затем эти звенья можно соединить между собой, допустим, по схеме ПИ-регулятора, и моделировать его работу в режиме реального времени.
На лицевой панели мы видим штекерные гнёзда и коаксиальные разъёмы типа BNC. К штекерным гнёздам подключаются элементы «обвязки» ОУ. Коаксиальные разъёмы нужны для коммутации между собой входов и выходов звеньев АВМ.
Результаты вычислений в АВМ обычно выводятся на стрелочные приборы с «центральным нулём», в которых стрелка может отклоняться не только вправо, но и влево. Желательно, но не обязательно, чтобы шкала этих приборов была «зеркальной», т. е. оборудована отражающей полоской для того, чтобы совместив визуально стрелку прибора с её отражением, можно было более точно считать показания прибора.
Переключателем «BALANCE» прибор подключается к выходу любого из операционных усилителей. Таким образом можно не только измерить напряжение на его выходе, но и произвести «корректировку нуля» соответствующим подстроечным резистором.
▍ Типовые схемы включения операционного усилителя K2-W
Посмотрим типовые схемы включения, которые предлагались для операционного усилителя K2-W «из коробки» на вложенной туда листовке:
Заметим, что листовка выпущена в 1952 году. Операционный усилитель обозначен тем же треугольником, как и сейчас. Типовые схемы включения ОУ остались теми же, если отбросить схемы коррекции нуля, которые обозначены на схемах квадратиком с символом «B».
На рисунке рядом со схемой электрической принципиальной находились две схемы для организации смещения. Для повторителя напряжения подходит только схема с батарейкой. Для остальных — подходят обе схемы.
Как мы видим, и типовые схемы включения, и расчёт цепей обратной связи ОУ на лампах ничем принципиально не отличается, если не забывать о рабочем напряжении конденсаторов, от подобных схем и расчётов интегральных ОУ.
Типовые схемы включения и расчёт характеристик на листовке, выпущенной компанией GAP/R в далёком 1964 году, по-прежнему актуальны:
▍ От автора
С момента выхода операционного усилителя K2-W на рынок прошло уже 70 лет. Все эти 70 лет компонентная база постоянно совершенствовалась, изменялись технологии производства, электронные лампы были заменены полупроводниками, но заложенные тогда в схемотехнику ОУ решения используются до сих пор.
Глядя на схемотехнические и конструктивные решения K2-W, не перестаёшь восхищаться талантом инженеров и учёных, заложивших своим трудом прочный фундамент для развития современной электроники и вычислительной техники.
Без этой части цикл про операционные усилители был бы неполным. Предыдущие публикации цикла:
- Предпосылки появления ОУ. «Идеальный» операционный усилитель. Инвертирующий и неинвертирующий усилители, повторитель.
- Отличия «реального» ОУ от «идеального». Основные характеристики реального ОУ. Ограничения реального ОУ.
- Суммирующий усилитель. Разностный усилитель. Измерительный усилитель. Интегрирующее звено. Дифференцирующее звено. Схема выборки-хранения.
- Активный детектор. Активный пиковый детектор. Активный ограничитель сигнала. Логарифмический усилитель. Компаратор на ОУ. Источник опорного напряжения. Источник тока. Усилитель мощности.
- Частотно-зависимая обратная связь в ОУ. Активные фильтры на ОУ. Генераторы сигналов на ОУ.
- Однополярное включение ОУ. Входные помехи, «развязки» и защиты входных цепей, экранирование.
В публикации использованы материалы сайта GAP/R George A. Philbrick ResearchesArchive, кроме взятых с сайта www.dvq.com изображений аналоговой вычислительной машины.
Автор: Дмитрий Руднев
