アナログコンピューターはアナログコンピューター（AVM）であり、アナログデータ（連続情報）を処理する連続コンピューターです。



TSBは、アナログコンピューターのこの定義を提供します。

アナログコンピューター（AVM）。初期比率に関与する変数の各瞬間値が別の（機械）量の瞬間値に関連付けられているコンピューターで、多くの場合、元の物理的性質とスケールファクターによって異なります。 原則として、機械量の基本的な各数学演算は、決定的な要素の出力と入力における物理量の間の数学的な関係を確立する特定の物理法則に対応します（たとえば、電気回路のオームとキルヒホッフの法則、ホール効果の表現、ローレンツ力など）。 。）。



アナログコンピューターは電気だけでなく、機械式、油圧式、さらには空気圧式であることに注意してください。



明らかな時代錯誤にもかかわらず、アナログコンピューティングは現代生活で広く使用されています。 自動車のオートマチックトランスミッションは、 油圧機械式アナログコンピューターの一例であり、トルクが変化すると、 油圧アクチュエーター内の液体の圧力が変化し、ギア比を変更できます。



電気信号のアナログ処理は、産業用電子機器の重要な場所を占めています。 ほとんどのタイプの物理量の一次コンバーターはアナログ信号のソースであり、制御オブジェクトの多くのアクチュエーターは絶えず変化する電流によって制御されます。 デジタルコンピューティングシステムに基づいた制御システムでさえ、アナログ信号処理を拒否することはできず、アナログおよびアナログからデジタルへのデバイスを使用して制御オブジェクトおよびセンサーとインターフェイスします。



私が提示したい資料の量に関連して、一連の記事を書く予定です。 私は読者の裁判所に最初の部分を提案します。それは、私たちが知っている形でオペアンプの作成の話を簡単に伝えるでしょう。

パート1 オペアンプの作成の簡単な歴史。

AVMの使用の歴史には数千年があります。 興味のある方は、 ウィキペディアの記事から検索を開始できます。



しかし、この記事では、電子オペアンプの作成の歴史を直接揺るがす日付のみに焦点を当てます。 そして、一見、記事のトピックとは何の関係もない日付から始めます。



1614年、スコットランドの数学者ジョン・ネイピアは、「対数キャノン」を発表しました。これは、次のように始まりました。ととらえどころのない間違いの尽きることのないソース、私はそれらを取り除くためのシンプルで信頼できる手段を見つけることにしました 。 」



対数のいくつかの特性を思い出させてください。 対数のプロパティから、時間のかかる多値数の乗算の代わりに、（表から）対数を見つけて追加し、同じ表から増強を実行する、つまりその対数によって結果の値を見つけるだけで十分であることがわかります。 除算は、対数が引かれるという点でのみ異なります。

数式の形式では、次のようになります。



log（xy）= log（x）+乗算のlog（y）

log（x / y）= log（x）-除算のlog（y）



Napierは、三角関数の対数の最初のテーブルを作成しました。

プレコンピューター時代の学生は、4桁のBradisテーブルが何であるかを覚えておく必要があります。





1622イギリスのアマチュア数学者ウィリアムオトレドは、おそらく最も成功したアナログコンピューティングメカニズムの1つであるスライドルールを作成しました。





手芸のファンは、これらの指示に従ってポケットアナログ電卓を組み立て、2012年12月までの使用方法を学ぶことができます 。突然便利になります...





しかし、それでも、非電子アナログコンピューターの開発の歴史をスキップして、記事のトピックに直接進みます。





1904 1904年11月、 ジョンアンブローズフレミングが2電極電子ランプの整流器を発明し、これを振動バルブと呼びました。 本発明は、熱陰極を備えたランプ、真空ダイオード、ケノトロン、熱電子ランプ、フレミングバルブとも呼ばれる。





1906年、アメリカのリー・ド・フォレストは電子グリッドに「グリッド」コントロールを追加し、オーディオと呼ばれる無線周波数検出器を作成しましたが、フレミングは彼のアイデアをコピーしたと非難しました。 de Forestのデバイスはすぐに彼とEdwin Armstrongによって修正され、最初の電子アンプで使用され、ランプ自体は三極管と呼ばれていました。





1927 - Bell Telephone Laboratories Research CenterのHerold Steven Blackが負帰還アンプを作成。





図 1.負帰還を備えたアンプ。

その核で、すべての電子デバイス（電子管、バイポーラトランジスタ、MOSトランジスタ）は非線形に動作します。 負帰還は、ゲインを犠牲にして直線性を改善する（歪みを低減する）ことにより、この欠点を修正します。 しかし、負のフィードバックは、特定の条件下で正になる可能性があり、その後アンプはジェネレーターに変わります。 その後、 Harry NyquistはOSを安定させる方法に関する理論を開発しました。





30〜40歳 1930年代、Foxboro Corporationで働いていたGeorge A. Philbrickは、真空管と受動素子を備えたアナログプロセス制御シミュレーション回路を開発しました。 Philbrickは多くの興味深い回路を開発し、その一部はオペアンプの祖先でした。



クローズドループアンプと非フィードバックアンプの両方を使用するアンプは、1930年代後半から1940年代にかけて改善されましたが、差動アンプの分野で非常に興味深い開発が注目に値します。



30年代には、生体組織から受信した低レベルの信号が必要でした。 このために、さまざまな真空管増幅器が使用され、そのような増幅器はしばしば「生物学的増幅器」と呼ばれていました。



1934年、専門職の生物学者である W. HCマシューズは、差動増幅器回路について説明しました。 アンプには差動入力がありましたが、共通カソードは共通電源に直接接続されていたため、入力での同相モード電圧差を最小限に抑えるように最適化されていませんでした。 当時、コモンモード信号はプッシュプッシュ信号と呼ばれ、両方の入力で位相信号を示すことに注意してください。



1936年、 アラン・ブルームラインは、アースへの共通抵抗を介して差動ペアの共通カソードを置き換えることにより、マシューズのアイデアを開発しました。 Alan Blumleinはアンプの特許を取得しましたが、この特許は生物学的な信号ではなくブロードバンド信号を扱っていました。 ただし、これは、より良いコモンモードエラー検出を提供するため、Matthewsアンプと比較して明確な一歩前進でした。 アンプ回路マシューズとブルームラインを図に示します。 2。







図 2.差動増幅器のスキーム。





1941 M9インデックスに基づく銃データコンピューターの研究の過程で、ベル研究所は加算増幅器の特許番号2,401,779を取得しました。





「Summing Amplifier」の回路図とコンポーネント値

Bell Telephone Laboratories、Inc.に譲渡された米国特許2,401,779）

図 3.加算増幅器のスキームとコンポーネントのリスト。



この設計では、3つの真空管を使用して90 dBのゲインを実現し、±350 Vの電圧で制御されます。この回路には、今日のオペアンプでよく見られるように、単一の反転入力があり、差動反転入力および非反転入力はありません。 レーダーシステムSCR584と一緒に軍用コンピューターM9でこのスキームを使用すると、対空射撃の90％の精度が得られました。 このシステムは、1944年にイタリアの連合軍の上陸中に初めて適用されました 。





1947.ニューヨークのコロンビア大学で、軍事目的のアナログコンピューティングを改善するための研究の過程で、 オペアンプ （op amp）という用語が登場しました。 オペアンプの設計は、Loebe Julieによって開発されました。 このスキームには2つの大きな革新がありました。 増幅器のゼロドリフトを低減する手段が使用されました。さらに重要なことは、2つの入力（1つの反転、もう1つの非反転）を持つオペアンプの最初の設計でした。



1953年1946年、軍を離れた後、ジョージ・A・フィルブリックはジョージ・A・フィルブリック・リサーチ社（GAP / R）と名付けた会社を設立し、オペアンプを作り始めました。 彼の仕事はOSの開発に重要な役割を果たしました。



まもなく、 1953年1月 、最初の商用K2-Wオペアンプがリリースされました。 同時に、そのコストは約20ドルでした。 K2-Wは2つの12AX7デュアル三極管を使用し、標準の8ピンコネクタにパッケージされていました。 オペアンプは、ローブジュリーによって建設されました。 ±300Vの電圧で動作するオペアンプは、最大±50Vの出力および入力の電圧で動作し、15000以上のゲインを備えていました。

読者がこのオペアンプで回路を作成する必要がある場合、リンクを使用してデータシートのページ1 、 ページ2を調べることができます。 残りの部分については、図4を示します。







図4 K2-W。 写真と電気のコンセプト。



50年 真空管アンプが改善されました。 回路ソリューションが改善され、ゲイン、精度が向上し、エネルギー消費が減少しました。 しかし、60年代の初めまでに、 ウォームチューブオペアンプの時代は衰退し始め、トランジスタ、そして集積回路がステージに登場しました。





1947年ベル・ラボラトリーズのウィリアム・ショックリー 、 ジョン・バーディン、およびウォルター・ブラッテンは、12月16日に実証された動作可能なバイポーラトランジスタを初めて作成しました。 12月23日、発明の公式発表が行われ、この日はトランジスタの発明の日と見なされます。 製造技術によると、彼はポイントトランジスタのクラスに属していました。





1954年5月。 Texas Instrumentsの Gordon Tealは、シリコントランジスタを開発しました。





1958年、テキサスインスツルメンツのジャックキルビーは、現在では汎用ICとして知られている集積回路を発明しました。 しかし、Kilbyの仕事は唯一のものではありませんでした。 1959年初頭、 Fairchild SemiconductorのエンジニアであるRobert NoyceもIPの概念を開発しました。 10年後の1968年、ロバートノイスとゴードンムーアはフェアチャイルドセミコンダクタを去り、 インテルを組織しますが、それは別の話です。



Noyceコンセプトのコアは、トランジスタと抵抗の間の金属層の相互接続を使用しているため、実際には今日のICのコンセプトに近かった。 一方、Kilby IPはワイヤー接続を使用していました。

IP作成の歴史の1つのバージョンはVirtual Computer Museumの 記事で提示されます 。





図 5.最初のIS Kilbyのレイアウト。



図 6. Noyceの特許のイラスト。



1961結果として、1961年にオペアンプの最初の集積回路が製造された可能性があります。 それは約120ドル相当のGAP / R P45でした。 これらのオペアンプは、実際にはエッジコネクタを備えた小さなボードでした。 原則として、バイアス電圧やドリフトなどのオペアンプの特性を改善するために、慎重に選択された抵抗が装備されていました。



GAP / R P45オペアンプのゲインは94 dBで、±15 Vで駆動されていました。 オペアンプは±10Vの範囲の信号を処理する必要がありました。

その後、これらの電圧は一種の標準になりました。





図 7.シェルターGAP / R P45。 写真と電気のコンセプト。



1961年。ジョージA.フィルブリックがバラクターブリッジオペアンプ回路を作成。

この回路では、可変コンデンサー（バラクター）の電圧がオペアンプの入力段で使用されます。 バラクタブリッジを使用した結果、オペアンプの中で最も低い入力電流が達成されました。 ランプよりもさらに少ない。



図 図８は、バラクタブリッジオペアンプのブロック図を示している。 4つの主要なコンポーネントがあります。フロント部分は、ブリッジ回路と高周波発生器の回路、ブリッジのエラー電圧を増幅するACアンプ、ACエラーを対応するDCエラーに変換する同期位相検出器、最後に追加のDC増幅を提供する出力アンプで構成されますおよびデバイスのロード。







図 8.バラクタブリッジオペアンプのブロック図。

回路は次のように機能します。小さなDC電圧誤差Vinが選択されたバラクタダイオードD1とD2に加えられ、ACブリッジの不均衡を引き起こし、ACアンプに供給されます。 このAC電圧は、DC誤差電圧に応じて位相シフトします。 回路の残りの部分は、DCエラーを増幅して検出します。 PhilbrickはGAP / R P2オペアンプをリリースしました。 1966年にリリースされた修正GAP / R SP2Aオペアンプは、±10pA（10 ^-12 ）のオーダーの入力電流を増幅できました。





1965年、レイステートマシューローバーはアナログデバイスを設立しました。 （ADI） 。 すぐに、ルイスR.スミスはバラクター増幅器モデル301を作成し、後継モデルであるモデル310および311を作成しました。これらのプロジェクトにより、入力電流の精度を大幅に±10fA（10 ^-15 ）（約3桁）向上させることができました。 GAP / R P2以下）。 興味深いことに、310および311モデルは約75ドルの価格で販売されていました。 これらのアンプは、現在でも限られた数量で入手可能です。





1967. ADIがOSの使用を普及させるために多くのことを行ったことも注目に値します。 そのため、1967年に彼女はAnalog Dialogue Magazineの発行を開始しました。 このマガジンのオンライン版は、実際のデバイスと信号処理システムの回路とソフトウェアの分野でソリューションを交換するためのフォーラムです。 アナログ、デジタル、混合信号の技術と方法について説明します。 ADIテクノロジーへのゲートウェイとして動作するAnalog Dialogueは 、インターネットで毎月発行されます。 厳選された技術記事も四半期ごとの印刷媒体で紹介されています 。





1962年 アラン・パールマンとロジャー・ノーブルがGAP / Rを離れ、小さな会社Nexus Research Laboratory、Incを設立 彼らは、プリント基板への取り付けに適したピンを備えた長方形のモジュールにパッケージ化されたオペアンプを最初に製造しました。 この設計により、オペアンプは「ブラックボックス」に変わりました。これは、回路の独立した要素として容易に理解できました。 モジュールは非常に人気があり、GAP / Rは同様のパッケージでアンプをリリースすることを余儀なくされました。





図 9.シェルターGAP / R PP65。 写真と電気のコンセプト。



1963 Fairchild Semiconductor Corporation の μA702は、最初のモノリシックオペアンプ集積回路になりました。 μA702は、若いエンジニアのRobert J.（Bob）Widlarによって開発されました。 全体の7年間（1963〜1970年）におけるVidlarの専門的活動は、アナログマイクロエレクトロニクスの開発を大きく決定しました。 しかし、彼のμA702は確かに世界を席巻しませんでした。 異常な特性-過剰な供給電圧、低ゲインなどのため、これは好評ではありませんでした。 それにもかかわらず、これらの欠点にもかかわらず、ICのいくつかの重要な設計動向がμA702によって特定されました。





1965μA709がリリースされました。 彼はμA702の特性を大幅に改善しました。 これには、大きなゲイン（45,000または〜94dB）、±10Vに拡張されたI / O電圧、200nAへの入力電流の減少、および出力電流の増加が含まれます。 アンプは±15Vの電圧で駆動されていました。 周波数補償は、ピン1-8と6-5の間の2つのRC回路によって達成されました。 μA709はすぐに標準になり、数十年にわたって製造されました。 図 図10にμA709の回路図を示します。







図 10.電気回路図μA709。



μA702と比較して回路がかなり改善されているにもかかわらず、アンプにはまだ問題がありました。





1967ボブ・ウィドラーは、オペアンプμA702とμA709の栄光に甘んじたくなかったため、ナショナルセミコンダクターコーポレーション（NSC）に切り替えました。 彼の次の集積回路設計であるLM101は、1967年に発売されました。 LM101はシンプルな2ステージトポロジを使用し、これがμA709の問題の解決策でした。 さらに、オペアンプの設計であり、その後多くのメーカーが採用しました。 LM101の簡略図を図11に示します。





図 11.簡易回路LM101。



LM101プロジェクトの目的は、次のようなμA709問題を排除することでした。

•短絡保護はありません。

•包括的な補償周波数。

•過電圧差動入力に対する感度。

•過度の電力消費と限られた電力範囲。

•容量性負荷に対する感度。



新しいLM101デザインはμA709の問題を解決し、さらにいくつかの改善を加えました。 ゲインは160,000（〜104 dB）に増加し、有効電力範囲は±5Vから±20Vに増加しました。 アップグレードを容易にするため、LM101は入力、出力、電力にμA709と同じピンを使用しました。





1968 LM101のリリースから1年もたたないうちに、 1968年にフェアチャイルドはDave Fallagerが設計したμA741オペアンプをリリースしました。 簡略化したμA741回路を図12に示します。







図 12.簡略化された回路μA741。



回路には明らかな違いがありますが、μA741では信号経路はLM101と同等であり、入力短絡と過電圧保護に関して同様の動作を提供し、同等の帯域幅を備えています。 μA741の特徴は、チップ内に30pFの補償コンデンサが存在することでしたが、すぐに標準になりました。



ユーザーが追加したコンデンサを備えたLM101は、機能的にはμA741と同等でした。 ただし、柔軟性よりも使いやすさがユーザーにとって重要であることが判明しました。 ナショナルセミコンダクターはその後、LM101チップと30pFコンデンサのハイブリッドパッケージを作成しましたが、標準となったのはμA741でした。



ウィキペディアでは、 記事全体がこのアンプに当てられています。





1970 ADIのJohn Cadiganが高速オペアンプを作成。 このオペアンプの際立った能力は、入力段に電界効果トランジスタを使用したことです。 オペアンプは、ハイブリッド集積回路として実装されました。 以下に、1977年にリリースされたより高度なオペアンプHQS-050の図と写真を示します。





図 13. HSQ-050。 回路図と写真。





ここでやめる価値があると思います。 最後に、別のオペアンプの図を示します。これにより、最新のオペアンプの回路レベルを評価できます。







図14. AD549。 回路は原則的に電気的です。





第2部では、オペアンプの内部回路について簡単に確認します。

アナログコンピューティングデバイスの要素としてのオペアンプの使用については、第3部で説明します。

使用されたソースのリスト

この記事の主な情報源は本でした。

http://ru.wikipedia.org/wiki/

http://www.computer-museum.ru/

http://www.computerhistory.org/