До питання про історію і ролі особистості в ній (не за Плеханову)

Макс Вейн, Містер Хьюлет і дощовий недільний день.
Передмова перекладача – ось той, загалом, не дуже частий випадок, коли я відчуваю пекучу заздрість до автора і досаду від того, що народився не там, де слід було б і не тоді, коли треба було б. Сподіваюся, багато читачів Хабра випробують, принаймні, першу половину цих почуттів при прочитанні цієї воістину чудовою статті і будуть поблажливими до помилок перекладу. Викласти посилання на оригінал, як годиться для перекладу, я, на жаль, не можу, оскільки стаття входить в абсолютно приголомшливу книгу «Analog Circuit Design: Art, Science, and Personalities», де я її взяв, я Вам не скажу, але сподіваюся, Ви здогадалися, де її можна знайти.

Ну а тепер власне переклад. Там будуть картинки, але не для залучення уваги, а просто без них ніяк.

Одним дощовим неділею після обіду я виявив, що мені нічим зайнятися. Мені завжди подобалися дощові неділі, які дають багато вільного часу. Так що я побрів у свою лабораторію (справжній будинок неможливий без лабораторії).

Я пробіг поглядом по кільком макеткам в різного ступеня непрацездатності і декільком недавно купленим потужним транзисторів, які слід було прибрати з очей геть. Вони мене аніскільки не надихнули. Ліниво оглядаючи навколишнє, я звернув увагу на сховище інструментів. Зліва на третій полиці лежав генератор HP серії 200 (справжня лабораторія неможлива без цього генератора, див. рис. 1).



HP200, безпосередньо заснований на дисертації со-засновника фірми HP Вільяма Р. Хьюлетта, це не тільки чудовий прилад. І це не просто перший продукт фірми HP(1). Цей прилад — сама історія. Він заклав напрями, методи та стандарти, якими відповідає продукція фірми НР донині. Це фундаментальна чесність пристрою, надійності та цілісності. Ця невелика коробка — видатний сплав елегантних теоретичних ідей, розробки продуманої, акуратного конструювання, ретельного виробництва і капіталізму. Він чудово відповідав вимогам ринку. Вигода від нього була приголомшливою, і в рівній мірі розділена між фірмою і покупцями. Як казала моя мама, НР 200 зроблено саме так, як повинні робитися речі — хороші хлопці виграють і ніхто не програє.

Копаючись в бібліотеці (справжня лабораторія неможлива без бібліотеки), я знайшов копію Станфордской дисертації 1939 р. Вільяма Р. Хьюлетта " Новий тип резистивно-ємнісного генератора"(справжня бібліотека неможлива без цієї статті).

Хьюлетт коротко сформулював цілі дисертації (крім отримання ступеня): «Автор вважає, що існує реальна потреба в новому типі генератора, який поєднає стабільність LC-генераторів з гнучкістю генераторів з перенесенням частоти, та при цьому залишиться легкими, портативними і простими у конструюванні та налаштування».

Генератор Хьюлетта використовував резонансну RC-ланцюг, винайдену Максом Вином у 1891 р. У Вина не було електронних підсилювальних приладів (Де Форест в 1891 ще й не замислювався про додавання сітки в лампу Едісона) тому він не міг створити генератор. У будь-якому випадку, Він займався іншими проблемами і розробив свою схему для мостових вимірювань на змінному струмі.

Хьюлетт побачив, що міст Вина, у поєднанні з відповідним чином керованим електронним посиленням, дає значні переваги в порівнянні з раніше використовуваними методами побудови генераторів. Це розширений діапазон перебудови, стабільність частоти і амплітуди, малі спотворення і простота.

Хьюлетт було доступно ще щось крім електронних підсилювальних приладів: у нього були нові підходи до теорії зворотного зв'язку. Посилання на пионерую роботу Харольда З Блека «Стабілізовані підсилювачі зі зворотним зв'язком» стоїть в четвертому рядку бібліографії. Аналогічно, робота Найквіста «Теорія регенерації», класичне опис умов, необхідних для генерації, стоїть на третьому рядку.

Хьюлетт використовував все перераховане вище, щоб показати, що схема Вина може бути використана для генерації. Потім він додав єдиний (абсолютно буквально) критичний елемент.

Для отримання стабільних синусоїдальних коливань посилення генератора необхідно ретельно контролювати. Якщо посилення недостатньо, генерація не відбувається. Якщо вона надмірна, амплітуда коливань наростає і вихідний сигнал стає прямокутним. Завдання полягає в тому, щоб запровадити механізм регулювання амплітуди, не вносить помітних спотворень у форму сигналу.

Хьюлетт пропонує елегантне рішення:
«Остання вимога, пристрій обмеження амплітуди, яке не вносить спотворень у вихідний сигнал, досить складно виконати. Відомо, що посилення підсилювача з ООС становить 1/b, за умови A*b>>1. Отже, якщо опір, значення якого збільшується при збільшенні струму через нього, використовувати в ланцюзі ООС, підсилювач можна спроектувати так, щоб його посилення зменшувалась при збільшенні вхідного сигналу. Якщо підсилювач такого типу використовувати, як частина генератора, його посилення можна налаштувати таким чином, щоб генерація тільки починалася.

Коли амплітуда коливань стане наростати, посилення зменшитися, що призведе до стабілізації амплітуди коливань на певному рівні. Якщо це значення буде досить низьким, лампи будуть працювати у класі А і не вносити великих спотворень. Більш того, будь-які перекручування з-за нелінійності ВАХ ламп будуть зменшені A*b раз завдяки дії ООС.
В якості змінного опору можна використовувати невелику лампу розжарювання. Добре відомим властивістю такої лампи є розігрів нитки при підвищенні струму через неї, що призводить до збільшення опору нитки розжарювання. На рис.2 показані залежності опору лампи 110 вольт 6 ватт від струму через неї.



Очевидно, що максимальна ступінь зміни опору досягається при струмах менше 20 ма, і для отримання максимального стабілізуючого ефекту лампа повинна працювати в цій галузі. На рис. 3 показана повна схема генератора.



Сигнал ООС знімається з анода вихідний лампи і подається на катод вхідний лампи. Лампа розжарювання встановлена між катодом і землею, так що глибина ООС збільшується і посилення падає при зростанні амплітуди коливань.



Єдина вимога до лампи полягає в тому, щоб вона працювала при такій температурі, щоб її теплова постійна часу була набагато більше, ніж половина періоду мінімальної частоти генерації. Оскільки теплове випромінювання пропорційно 4 ступеня абсолютної температури і велика частина енергії розсіюється випромінюванням, це вимога легко виконується забороною використання великих струмів. У цьому випадку термін служби лампи практично нескінченний».

Використання Хьюлеттом лампи розжарювання елегантно в зв'язку з простотою рішення 2). Що ще важливіше, воно являє собою прекрасний приклад глибокого мислення. Проблема в цілому була розглянута як комплексна, не тільки з точки зору електроніки. А це ознака чудового вирішення проблеми і хорошою інженерії.

Лампа вирішила складну проблему повністю, створивши умови для побудови практичного приладу. Розробка була дуже хороша. Генератор перекривав діапазон від 20 до 20000 циклів (тоді були цикли, а не Герці) у трьох декадах з точністю калібрування в 1%. Лампа розжарювання забезпечувала стабільність амплітуди 0.2% на 100 Гц і нерівномірність у 1дб в діапазоні від 20 до 20000 циклів. Заглянувши всередину мого НР201, я побачив лампу розжарювання саме там, де Хьюлетт або один з його асистентів її залишив.

З рис.4 видно, що спотворення генератора не перевищують 0.5% у всьому діапазоні. Цей графік привернув мою увагу. За сучасними стандартами «операційний підсилювач» Хьюлетта на лампах 6J7/6F6 має дуже погані параметри 3). Я задумався, наскільки якісною буде схема Хьюлетта на сучасних ОУ?

І от, через 50 років після того, як Хьюлетт зробив свій генератор, я зібрав на макетке генератор, щоб заповнити цей дощовий недільний день. Моя схема показана на рис. 5.



Схема збігається зі схемою Хьюлетта, за винятком того, що я використовував 94 монолітними транзистора, резистора і конденсатора замість двох ламп 4). ( Я думаю, що це і означає прогрес). Після підбору резистора 430ом схема видала симпатичний синус. Підключивши мій (HP) вимірювач спотворень, я з великим задоволенням спостерігав лише 0.0025% спотворення. — рис. 6.



Потім я пішов далі і додав перемикання діапазонів рис. 7.



Ця схема теж працювала добре. Як і попереджав Хьюлетт, спотворення збільшувалися при наближенні частоти коливання до теплової постійної часу лампи. Цей ефект може бути ослаблений за рахунок збільшення теплової постійної. Саий простий шлях зробити це – додати побільше і побільше ламп. Це призводить до збільшення часу стабілізації, але зменшує спотворення в сталому режимі. Графік залежності спотворень від частоти це ясно показує -див. рис 8.



Розглядаючи цей графік, я задався питанням, наскільки можна поліпшити цифри спотворень, використовуючи гіпотези і результати Хьюлетта як керівництво. Експеримент з використанням декількох ламп показав, що зростання спотворень на нижніх частотах майже повністю визначається теплової постійної часу лампи. Але що викликало невеликий підйом спотворень на ділянці 15-20кГц? І що обмежує зменшення спотворень? З'ясування всього цього до кінця — ось відмінний шлях не потрапити під дощ. І звичайно, я не міг ігнорувати той факт, що перебуваю дуже близько до порогу чутливості мого аналізатора 0.0018%. Не варто хвилюватися.
Наступна схема показана на рис. 7-9.



А1, малошумливий широкосмуговий підсилювач — це генератор. Зменшений номінал переменника дозволяє отримати низький рівень шуму за рахунок зменшення вкладу шуму вхідного струму ОУ. Конденсатор 10 пФ пригнічує паразитне високочастотну генерацію. А2 і компоненти навколо нього замінюють лампи(лампи) розжарювання. А2 порівнює пікова напруга на виході генератора з опорною напругою і управляє Q1 для отримання потрібного посилення. Діод послідовно з опорною напругою компенсує падіння на випрямному діоді. Великий конденсатор в ланцюзі ОС А2 дозволяє отримати велику постійну часу, мінімізуючи вихідні пульсації.

Коли я увімкнув цю схему, вона генерувала, але спотворення збільшилися до жахливих 0.15%! Вихід аналізатора показував яскраво виражену другу гармоніку (у два рази вище частоти генератора), хоча вихід А2 виглядав відносно чисто — див. рис.10.



Отже, мені зійшла з рук заміна 2 лампи на 94 транзистора, конденсатора і резистора, але заміна однієї лампи розжарювання купою деталей — це зовсім інша справа! Я зніяковіло подивився на занедбану лампу розжарювання.

Що ж сталося? Міст Вина залишився тим же, і важко повірити, що А1 настільки поганий. На виході А2 були помітні залишкові пульсації випрямляча, але нічого, що могло б спровокувати появу такого монстра.

Винуватим опинявся Q1. Опір каналу FET в ідеалі визначається напругою затвор-канал. В реальності, має місце невелика модуляція опору каналу при зміні напруги стік-витік. До нещастя, сток Q1 знаходиться під значним змінною напругою. На затворі майже постійна напруга, витік заземлений. Це викликає небажану модуляцію петлі стабілізації амплітуди, приводячи до спотворень. Проста лампочка розжарювання починала виглядати все більш привабливо.

Якщо ви будете дивитися на схему досить довго, то побачите, що необхідні ліки існує в самій схемі і воно (слава Богу) досить просте. FET є симетричною структурою, хоча в даній схемі напруга управління докладено асиметрично від затвора до витоку. Якщо ви зміните схему таким чином, щоб затвор управлявся сигналом, рівним половині напруги стік-витік, симетрія буде відновлена. Таке нововведення усуває всі парні гармоніки. Нова схема включення Q1 наведена на рис.11.



При підстроюванні тримера в оптимальне положення, спотворення впали до 0.0018% — нижня межа аналізатора по специфікації рис.12.



Сподіваючись на те, що мій аналізатор краще, ніж зазначено в його специфікації, я подивився, про що свідчить його вихідний сигнал. Ми бачимо деякий вплив першої гармоніки і артефакти, пов'язані з пульсації випрямленої напруги петлі АРУ. Зменшити першу гармоніку підстроюванням резистора, хоча збільшенням постійної часу інтегратора А2 можна зменшити пульсації випрямляча.

Я не люблю подстроечніком, так і електроліт в ланцюзі ООС А2 виглядає занадто великим. Також А2 – це не справжній інтегратор і має посилення по шумах з неінвертувального входу. Це виглядає більш дратівливим, ніж очевидно важливим. Неприємний і той факт, що якщо вихід A2 буде позитивним (наприклад, при включенні), то електроліт буде зміщений назад. Це не має відношення до справи, але є поганими стилем!

Наступна ітерація схеми — це спроба вирішити деякі з цих проблем див. рис.13.
Найбільш значуща зміна — Q1 замінений на фоторезистор. Цей прилад не має паразитної модуляції опору, що дозволяє виключити підстроєчник з схеми. А2 живиться від однополярного джерела і включений як справжній інтегратор. Номінали компонентів в ланцюзі ОС інтегратора змінені в спробі отримати більшу тимчасову постійну і менший час встановлення. Нарешті, опорне напруга інтегратора збільшено для збільшення впливу на амплітуду вихідного сигналу. Це відомий метод грубої сили для збільшення SNR.

Цей експеримент дав корисну інформацію див. рис. 13.



Модифікація А2 виключила проходження пульсацій випрямляча. Фоторезистор насправді працював, і я закинув підстроєчник у дальній кут. Аналізатор показував 0.0015%, але я не був упевнений, що зміг сприйняти це «покращення» всерйоз. Цікаво, що друга гармоніка спотворень виглядала так само, як в попередній схемі, можливо менш шумно. Вона трохи збільшувалася із збільшенням частоти і більш-менш була пропорційна вихідний амплітуді. Аналізатор видавав цифру на кілька мільйонних часток (ppm) нижче при більшій вихідний амплітуді, але я вирішив, що це з-за SNR в генераторі, аналізаторі чи в них обох.
Але стало ясно, що ключ до того, щоб вичавити з цієї схеми все можливе — зрозуміти джерело другої гармоніки. Схема говорила мені про щось, я намагався почути, але не чув рис.14.



Всі раніше зроблене виключало з підозри петлю АРУ. Залишався міст Вина, А1, і паразитні елементи, не присутні на схемі, як основні підозрювані.

Я розглядав можлива зміна елементів моста Вина — коефіцієнт напруги резисторів, ESR та діелектричну абсорбцію конденсаторів. Іноді, якщо ви не знаєте, як зробити щось краще, ви можете багато чого зрозуміти, роблячи щось гірше. Тому я додав невеликі контрольовані паразитні RC-ланцюга до елементів моста Вейна, щоб перевірити чутливість схеми до паразитних складових і до ідеальності компонентів. Я зрозумів, що відносно хороші резистори і конденсатори були джерелом проблеми. Різні версії компонентів мосту Вейна прийнятної якості приводили до однакових результатів.

Начебто залишався єдиного винуватця — А1. Коефіцієнт посилення ОУ без ОС, зменшується з частотою, міг бути проблемою, тому я вирішив додати вихідний буфер, щоб розвантажити ОУ. Це було єдине, що я міг зробити для збільшення посилення.

Тепер, коли у мене був ордер на арешт А1, відповідь швидко став очевидним. Моя схема порушила маловідомий принцип побудови прецезионных схем на ОП: правило Вільямса. Правило Вільямса просто: ЗАВЖДИ ИНВЕРТИРУЙ (крім тих випадків, коли зовсім не можеш). Це правило, проголошене після незліченних воєн з химерними, незбагненними і трудноустранимыми ефектами в численних схемах, було придумано, щоб виключити слизькі результати неідеального придушення синфазної напруги на ОУ. Ефект, викликані синфазними напругами, часто важко передбачити і виявити, не говорячи вже про те, щоб виправляти. Підсумкова точка з нульовим потенціалом — дуже дружня, дуже надійне місце. Вона (зазвичай) передбачувана, математично зрозуміла і невразлива для підступних драконів синфазного режиму.

У всіх існуючих ОУ коефіцієнт придушення синфазної напруги (CMRR) падає з ростом частоти, і А1 не виняток. Графік залежності CMRR від частоти показаний на рис.15.



У схемі генератора на входах А1 присутня велика синфазное напруга. Так як CMRR падає з ростом частоти, не дивно, що я бачив деяке збільшення спотворень на високих частотах. Це виглядало як мінімум як правдоподібне пояснення. Тепер я повинен був перевірити цю ідею. Щоб зробити це, потрібно було привести схему у відповідності з правилом Вільямса. Прив'язка неінвертувального входу А1 до землі виглядає як зайва жертва для нашої схеми.

Я розглядав різні дивні схеми для вирішення цієї задачі. Один з таких жахів – розв'язка моста Вина і входу А1 через трансформатор. Цей підхід не просто гарний, цілком імовірно, що в певних місцях він буде визнаний непристойним. Я навіть не став малювати таку схему, щоб видавця цієї книги не змогли викликати в суд групи фанатів ОУ-фундаменталістів. Навіть якщо б я змусив цю нескладну схему працювати, я просто відчував, що так робити не можна. Я майже чув, як проста, маленька елегантна лампочка розжарювання Хьюлетта, яка так добре працювала, сміється наді мною.

Де-то в поважному керівництві по застосуванню від фірми Philbrick говориться: «Завжди є вихід». Остання схема показує, що він є – рис.16.



Ця схема схожа на попередню, за винятком А3, який з'явився разом з буфером А4. А3 прив'язує не-інвертуючий вхід А1 до віртуальної землі за рахунок переміщення тих вузлів моста Вина і схеми АРУ, які раніше були прив'язані до землі. Цим ми додаємо третьій керуючий контур у вихідну схему Хьюлетта (це буде дуже зайнятий генератор — бідна нещасна А1, слуга трьох панів), але не надаємо негативного впливу на його роботу. Коли не-інвертуючий вхід А1 прив'язаний до віртуальної землі, синфазного складова на її входах відсутня. Схема стала задовольняти правилом Вільямса, і, швидше за все, повинні початися хороші речі.

На мій превеликий подив, вся ця штука не вибухнула, коли в кінці кінців я взяв себе в руки і включив харчування. Але ще більш вражаючим було те, що аналізатор показав 0.0008% спотворень — рис. 17.



На виході аналізатора видно тільки слабкий слід першої гармоніки і шум. Аналізатора показував значення у два рази менші, ніж нижній вимірюваний поріг спотворень по специфікації, що доставляло. Хоча і малоймовірно, щоб генератор і аналізатор мали що компенсуються помилки, робити висновки рано. І я вирішив звернутися до вельми спеціалізованому обладнанню, щоб дізнатися істину. Я відніс генератор на Audio Precision System One, де були виміряні спотворення і вони склали 0.0003% (3ppm або -110дб).
Я був дуже задоволений тим, що нам не вдалося виявити нічого вище цього рівня.

Після того, як Хьюлетт закінчив свій генератор, вони разом з Девідом Паккардом пішли в гараж і зібрали там ще кілька штук, а потім зробили ще декілька різних вимірювальних приладів — див. рис 18.



Після того, як я закінчив мій генератор, я пішов на кухню і зробив кілька хот-догів на обід (гірчиця, соус чилі, без квасолі) і потім ще всякої різної їжі. Так що, Хьюлетт був не тільки набагато розумніший за мене, у нього також були і інші пріоритети. Однак, коли в кінцевому рахунку йому доводилося йти обідати, я думаю, у нього був прекрасний апетит. І мої хот-доги були на смак дуже гарні.

1) Крім того, між іншим, їх дуже довго-живий продукт. Серія HP2000 продовжувала продаватися до середини 80, майже 50 років.
2) Хьюлет запозичив цю технологію у Meacham, який запропонував її в 1938 році як спосіб стабілізації кварцового генератора. Відповідна робота наведена в посиланні номер п'ять до дисертації.
3) З позицій тих років, 6J6 і 6F6 це термоемісійні FET, розроблені Де Форестом.
4) Щоб бути точним, 50 транзисторів, 40 резисторів і 4 конденсатора в цій схемі.

Від перекладача — ну і на закінчення, чисто для сміху, ще одна картинка з того ж гаража — присягаюся, вона саме в такому вигляді лежить на офіційному сайті, я її не ретушував.


Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.