Без ОУ электронная АВМ невозможна. В предыдущей статье было видно, что практически все решающие элементы построены на базе ОУ или используют его как вспомогательный элемент. Поэтому ОУ просто необходимо уделить дополнительное внимание.
Сегодняшняя статья может, в некоторой степени, рассматриваться как факультативная. Но она важна с точки зрения понимания устройства и работы АВМ. Кроме того, цикл статей является и некоей исторической ретроспективой. При этом мы не будем рассматривать собственно схемотехнику ОУ. Хотя примеры схем будут. Мы будем рассматривать ОУ именно как элемент АВМ, исключительно с такой точки зрения. Это важный момент. Не с точки зрения электроники, а сточки зрения АВМ.
Предыдущие статьи цикла:
Если вы их не прочитали, то рекомендую это сделать. Сегодняшняя статья во многом на них опирается. По большей части, на вторую статью.
Так ОУ это дифференциальный усилитель, или нет?
Начну с ответа именно на этот вопрос. У части читателей, как я и предполагал и предупреждал, вызвало недоумение, и даже неприятие, что в своем исходном понимании Операционный Усилитель не имеет дифференциальных входов. Я напомню основные свойства ОУ, с точки зрения АВМ, где он и появился на свет:
- Это усилитель постоянного тока (УПТ)
- Обладает большим коэффициентом усиления
- Является инвертирующим
- Обладает высокой стабильностью. Как минимум, низким напряжением смещения и низким его дрейфом
- Имеет высокое входное сопротивление
- Имеет низкое выходное сопротивление
Ни слова о дифференциальных входах. И во второй статье цикла, где приведены функциональные схемы решающих блоков, отлично видно, что ОУ всегда имеет лишь один вход.
И первые ОУ, еще ламповые, действительно не были дифференциальными. Вот пример
Внизу есть надпись "DC OPERATIONAL AMPLIFIER". Это двухкаскадный усилитель. Причем выходной каскад является катодным повторителем, все усиление осуществляется пентодом. Резистор между катодами является цепью обратной связи, и не более того. Обведенная пунктиром RC цепочка обеспечивает фазовую коррекцию и исключает самовозбуждение.
Обратите внимание, что выходной каскад питается от двух напряжений, анодное - плюс 300 В, катодное - минус 150 В. Это позволяет получить на выходе двухполярный сигнал. Нулевой уровень регулируется резистором в цепи катода пентода.
Два похожих на конденсаторы элемента в цепи катода триода являются индикаторами перегрузки. Можно считать, что это некий аналог неоновых лампочек.
Чем плох такой усилитель? Уровень напряжения на выходе в состоянии покоя, тот самый нулевой уровень, зависит и от стабильности напряжений питания, и от стабильности параметров ламп. И для такого ОУ действительно требуется обязательный прогрев перед началом работы. И коэффициент усиления довольно мал, что не позволяет не учитывать его при построении моделей. А выходное сопротивление, наоборот, велико.
Поэтому, у того же производителя, появился усовершенствованный вариант ОУ, и он все еще не имел дифференциальных входов! Вот его схема
Наследственность между первой моделью и усовершенствованной хорошо видна. Этот тот же самый усилитель, но добавлены еще два каскада усиления. Это позволило и коэффициент усиления повысить, и выходное сопротивление уменьшить.
Обратите внимание на построение выходного каскада! Это не двухтактный выходной каскад, это каскад с динамической нагрузкой. Такой ОУ уже требует трех источников питания, +250 В, -250 В, -450 В. А вот размах выходного сигнала, линейный участок, всего от -100 В до +100 В. Запомните эти значения, они нам еще понадобятся сегодня. Кроме того, это типичный диапазон напряжений (значений переменных) в ламповых АВМ.
Но этот усилитель решал не все проблемы. Оставались проблемы влияния нестабильности питающих напряжений смещения нуля. И совершенно естественной была попытка использовать усилители, входной каскад которых построен по мостовой балансной схеме. Да да, это тот самый дифференциальный входной каскад! Вот в какой момент он появляется, а вовсе не в самом начале.
Но дифференциальный входной каскад обладает такими преимуществами, что очень быстро становится преобладающим в ОУ. Но второй вход таких ОУ не используется для вычислений, за очень редким исключением! Он используется лишь для привязки к опорному уровню, тому самому нулю. Вот пример такого ОУ, пожалуй, наиболее сегодня известный
Дифференциальный входной каскад (это вариант мостовой схемы) позволяет значительно снизить и влияние нестабильности напряжения питания, и влияние синфазного напряжения. То есть, мы теперь имеем возможность задать условный уровень нуля не совпадающим с фактической землей, общим проводом. Мы можем свободно, пусть и в некоторых пределах, менять уровень нуля для всей модели сразу!
При этом схемы-программы моделей по прежнему используют ОУ как инвертирующий УПТ с единственным входом! И мы в предыдущей статье это видели. Итак, с точки зрения использования АВМ ОУ остался прежним, ничего не поменялось. Но вот практическая реализация стала использовать дифференциальный входной каскад.
И последующие варианты ОУ на транзисторах и в интегральном исполнении унаследовали это свойство. Поэтому сегодня ОУ действительно с дифференциальным входом. С точки зрения электроники. Но с точки зрения АВМ и их применения ОУ остался простым инвертирующим УПТ.
Границы значения переменных (напряжений) в ОУ
Ранее мы видели, что диапазон напряжений в АВМ ограничен. Для ламповых АВМ типичные границы от -100 В до +100 В. Для транзисторных от -10 В до +10 В. Хотя в некоторых моделях АВМ границы могут быть и другими, например, от -28 В до +28 В. Но что это это на границы?
Это границы линейной области работы ОУ, которые используются в АВМ. Это не предельные уровни напряжения, а именно пределы линейности.
Причем это диапазон и входных, и выходных, напряжений ОУ. Разумеется, нужно учитывать, что коэффициент усиления каскада на ОУ влияет на диапазон входных напряжений. Но при условии нахождения всех напряжений в схеме модели в границах линейной области гарантируется, что ОУ работают линейно и дополнительная ошибка не вносится. Конечно, если сама модель не содержит ошибок.
Выход за границы линейной области не приведет в выходу ОУ из строя. Но расчет уже будет неверным. Кроме границ линейности существуют и предельно допустимые значения напряжений. Выход за эти границы уже может вывести ОУ из строя.
Кроме напряжений, существуют и предельные значения выходных и входных токов и рассеиваемой ОУ мощности (выходным каскадом). При работе с моделями эти предельные значения обычно не превышаются. Но при случайном замыкании выхода ОУ на землю и один из источников питания может потребоваться ремонт или замена ОУ.
Смещение нуля и дрейф
Вряд ли будет большим преувеличением назвать смещение нуля главным проклятием УПТ. Очень большой коэффициент усиления ОУ приводит к тому, что даже небольшое смещение нуля превращается в большое напряжение на выходе, которое может привести к насыщению выходного каскада.
Смещение нуля может быть не очень критичным для каскадов с малым коэффициентом усиления. Но для каскадов с большим коэффициентом усиления уже является проблемой. И оказывает очень большое влияние на ошибку в интеграторах. А вы помните, что в предыдущей статье я говорил, что интегратор является важнейшим решающим элементом АВМ.
Современные интегральные ОУ могут обладать практически нулевым смещением и его дрейфом, но даже они часто имеют выводы балансировки. И ситуация с напряжением смещения и его дрейфом не всегда была такой хорошей.
При этом собственно напряжение смещения не представляет такой большой проблемы. В конце концов, можно отбалансировать ОУ при наладке АВМ, например, при еженедельных профилактических работах. Гораздо большей проблемой является дрейф напряжения смещения, его нестабильность во времени.
Это приводит к тому, что балансировку приходится постоянно подстраивать. А количество ОУ в АВМ исчисляется десятками, а иногда и сотнями. И балансировка может превратиться в непрерывный процесс, времени для вычислений просто не останется.
Для борьбы с этой острейшей, без всяких шуток, проблемой использовались самые разные схемотехнические методы. Мы не будем их рассматривать, иначе статьи получатся не об АВМ, а о схемотехнике ОУ и технологиях интегральных микросхем. Но я кратко покажу один из популярных методов решения проблемы дрейфа, который применялся в транзисторных АВМ.
Речь идет об использовании усилителя переменного тока, который смещения и дрейфа не имеет, для усиления постоянного тока. Наверное все слышали про МДМ ОУ, модулятор-демодулятор. Это тот самый метод, который появился в транзисторных АВМ. Для ламповых он был слишком сложен, но иногда мог использоваться. В качестве относительно современного (не смейтесь) примера можно привести интегральный ОУ 140УД13.
А сама первоначальная идея выглядела так
Здесь Zin и Zf это комплексные сопротивления в обратной связи каскада с ОУ в целом. Нас они сегодня не интересуют. Как же все это работает?
Входной сигнал такого ОУ рассматривается как совокупность сигналов низкой частоты (включая постоянную составляющую) и высокой частоты. Низкочастотный сигнал поступает через R14 на вход "STABILIZER AMPLIFIER", то есть, стабилизирующий усилитель. Это усилитель переменного тока.
Что бы он смог усиливать постоянный ток в схему добавлен "модулятор" D1. И он действительно такой, как показано на иллюстрации. То есть, это переключающий контакт. Практической реализацией такого модулятора может являться вибратор (вибропреобразователь). В модели 6.712 частота коммутации была всего 60 Гц.
На выходе стабилизирующего усилителя включен детектор. Причем он является синхронным, так как модулятор участвует в его работе. В результате, на выходе формируется напряжение низкой частоты (включая постоянную составляющую), которое содержит помехи от работы модулятора. Эти помехи отфильтровываются с помощью R15, C2, R11. В конце концов, уже усиленное напряжение попадает на вход УПТ, который на функциональной схеме обозначен как "DC AMPLIFIER".
УПТ и обеспечивает окончательное усиление сигнала. При этом коэффициент его усиления может быть меньше. А значит, и влияние дрейфа напряжения смещения будет меньшим. Пусть и не нулевым.
Для компенсации частотных свойств такого ОУ вводится дополнительный путь для передачи высокочастотного сигнала в обход стабилизирующего усилителя. На функциональной схеме это R10 и C1.
Какие у такого ОУ есть плюсы и минусы? Однозначным плюсом является уменьшение напряжения смещения и его дрейфа. Но значительно повышается сложность схемы. Кроме того, появляются частотно-зависимые элементы, а это уже увеличивает и общую погрешность ОУ.
И это нужно учитывать при использовании таких ОУ для решения задач на АВМ. По этой причине я и рассказал о таков варианте построения ОУ. А в некоторых случаях может появиться зависимость от частоты работы модулятора.
Вот пример реальной схемы ОУ, в которой используется этот метод
Обратите внимание, что данный ОУ не имеет ни одного дифференциального каскада! Хоть и является уже не ламповым, а транзисторным. Не смотря на все преимущества дифференциальных каскадов в ОУ, обычные схемотехнические решения все таки не до конца были вытеснены на тот момент.
Нужно сказать пару слов об уже упоминавшемся 140УД13. На самом деле, он является тем самым стабилизирующим усилителем, если вернуться к функциональной схеме. Его коэффициент усиления совсем небольшой, немногим более 10. Частота модуляции 1 кГц.
В качестве альтернативы можно вспомнить использование периодической компенсации напряжения смещения. Для этого нужно периодически замыкать на землю вход УПТ и запоминать на конденсаторе величину выходного напряжения. Это напряжение потом можно использовать в качестве компенсирующего смещение. До следующего цикла коррекции.
Однако, здесь есть свои проблемы. Во первых, между циклами коррекции может быть дрейф напряжения смещения, который не компенсируется до следующего цикла. А время между циклами коррекции будет ограничивать время одной итерации решения задачи на АВМ. Поэтому такой метод применяется очень редко.
Заключение
Сегодняшняя статья получилась короткой и довольно простой. Мы рассматривали операционный усилитель именно с точки зрения АВМ, а не с точки зрения электроники. Хотя без электроники не обошлось.
Я надеюсь, что теперь вы убедились, что ОУ в аналоговых вычислительных машинах совершенно не обязательно должен иметь дифференциальный входной каскад. И построение решающих элементов АВМ действительно не требует наличия дифференциальных входов, мы это видели в предыдущей статье.
Просто использование ОУ в решающих блоках АВМ имеет свои особенности, свою специфику. Но ведь именно из АВМ в электронику и пришли ОУ! Да, сегодня они совсем другие. Многие свойства, конечно, сохранились. Но тот же дифференциальный вход стал обязательным. В электронике, не в АВМ!
При использовании ЦВМ программисту не важно, на какой именно логике построен процессор. А вот при использовании АВМ игнорировать особенности построения решающих блоков уже далеко не всегда возможно.
В следующей статье займемся интеграторами. Будет интересно.
