Ingeniería inversa de amplificadores operacionales de bajo ruido desde una computadora analógica en 1969

Un artículo del blog de Ken Shirrif del Museo de Historia de la Computación

Estamos restaurando una computadora vintage (1969, a juzgar por el marcado de los chips), recientemente encontrada por uno de nuestros empleados. Las computadoras analógicas alguna vez fueron populares para los cálculos científicos rápidos, pero casi se extinguieron en la década de 1970. Son interesantes en un paradigma que es completamente diferente de las computadoras digitales. En esta publicación, me centraré en los amplificadores operacionales (amplificadores operacionales) utilizados en esta computadora analógica, el Modelo 240 de Simulators Inc.


Computadora analógica modelo 240 de Simulators Inc. - "computadora de escritorio analógica de alta precisión de propósito general" que contiene hasta 24 amplificadores operacionales (hay 20 en este modelo).

¿Qué es una computadora analógica?

Una computadora analógica realiza cálculos utilizando valores físicos, continuamente variables, como el voltaje. En contraste con esto, una computadora digital usa valores binarios discretos. Las computadoras analógicas tienen una larga historia: esto incluye engranajes y engranajes, reglas de deslizamiento , integradores mecánicos de bola de disco , computadoras de marea y sistemas de guía mecánica. Sin embargo, las computadoras analógicas "clásicas" de los años 50 y 60 usan amplificadores operacionales e integradores para resolver ecuaciones diferenciales. Por lo general, se programaban conectando los cables al panel de conexiones, lo que conducía a la aparición de una mezcla de cables.


"Programación" de computadoras analógicas conectando cables al panel de conexiones. Este panel es de una computadora analógica EAI

La gran ventaja de las computadoras analógicas era su velocidad. Calcularon resultados casi instantáneamente, ya que sus componentes trabajaron en paralelo. Las computadoras digitales a veces necesitaban soplar sobre la informática durante mucho tiempo. Como resultado, las computadoras analógicas fueron más útiles en simulaciones en tiempo real. La desventaja de las computadoras analógicas era que su precisión dependía directamente de la precisión de sus componentes; Si necesitabas una precisión de 4 dígitos, necesitabas resistencias costosas con una precisión del 0,01%. Al mismo tiempo, las computadoras digitales se pueden hacer con cualquier precisión, simplemente usando más bits. Desafortunadamente para las computadoras analógicas, la velocidad y la potencia de las computadoras digitales crecieron exponencialmente, y en la década de 1970 prácticamente no había razón para usar analógico.

Dentro de una computadora análoga

El corazón de una computadora analógica son sus amplificadores operacionales (amplificadores operacionales). Los opamps pueden resumir y escalar la señal de entrada, proporcionando los cálculos matemáticos más simples. Más importante aún, al combinar un amplificador operacional con un condensador preciso, se podrían crear integradores. El integrador integró la entrada con el tiempo, cargando el condensador. Esto permitió que las computadoras analógicas resolvieran ecuaciones diferenciales. Puede parecer extraño que la integración, una operación matemática compleja, fuera el componente básico de las computadoras analógicas, pero así era como funcionaba el hardware.


Los integradores de computadoras analógicas utilizaron condensadores de gran precisión. En la parte superior puede ver un condensador variable (personalizable) a 10 nF, y una caja metálica grande en la parte inferior es un condensador variable a 10 uF. Estos condensadores se fabricaron para que la fuga fuera extremadamente pequeña y el valor integrable no se escapara de ellos. En primer plano hay un relé para seleccionar condensadores.

Las computadoras analógicas utilizaron varios potenciómetros para establecer valores de entrada y constantes de escala. Para garantizar una alta precisión de sintonización, los potenciómetros se pueden girar hasta 10 veces. Para verificar los potenciómetros, se utilizó un voltímetro. También podría usarse para demostrar valores de salida, pero con mayor frecuencia se mostraban en un osciloscopio, cinta de gráficos o trazador.


Arriba está la sección digital de una computadora analógica. En la parte inferior hay potenciómetros; Este modelo de computadora no tiene algunos potenciómetros. En lugar de un panel en blanco, un voltímetro digital podría estar en la parte superior izquierda.

Algunas computadoras analógicas también tenían componentes digitales: compuertas, disparadores, multivibradores monoestables y contadores. Dicha funcionalidad hizo posible realizar cálculos más complejos, por ejemplo, iterar sobre soluciones en el espacio de soluciones. Nuestra computadora tiene cierta lógica digital a la que se puede acceder a través del panel de parche de color (en la foto de arriba).

En la foto de abajo, la computadora está parcialmente desmontada. En el interior, resultó ser más complejo de lo que esperaba, con muchas placas de circuito. Eliminamos el panel de parche, que nos abrió una cuadrícula de contactos. Un cable conectado al panel de conexiones cierra los contactos y configura el programa. Se encontraron cinco módulos detrás del panel de la computadora: el más a la izquierda se retira y se encuentra frente a la computadora (en general, hay un lugar para seis módulos en el interior, pero uno no estaba instalado; aparentemente este es un modelo más barato y, por lo tanto, no ha instalado varios potenciómetros). La placa, que es visible en la parte superior, admite lógica digital y dos multiplicadores analógicos. Los circuitos de alimentación y del panel frontal se encuentran en la parte inferior.


Computadora analógica con la cubierta quitada. Uno de los módulos se retira y se encuentra frente a él.

A continuación se muestra una foto de primer plano del módulo, así como los contactos del panel en la parte frontal. Ocho tablas son visibles detrás. De izquierda a derecha en las placas: cuatro amplificadores operacionales (4 placas), varios circuitos (1 placa) y un multiplicador (3 placas). En una computadora analógica, la multiplicación fue inesperadamente difícil de implementar; Se necesitan tres placas para un solo circuito que multiplica dos valores.

Las computadoras analógicas podrían calcular funciones arbitrarias utilizando redes de resistencia de diodos. Para la multiplicación, las redes se sintonizaron para calcular una función parabólica. La multiplicación se consideró a través de la identidad X × Y = ((X + Y) ² - (XY) ² ) / 4. Las sumas y diferencias se calcularon mediante el amplificador operacional y el cuadrado a través del generador de la función parabólica.


Uno de los módulos. Los "dedos" en los contactos frontales se insertan en el panel de conexiones. Detrás de ellos hay resistencias cuadradas visibles de alta precisión (0.01%).

Amplificadores operacionales

En la foto de arriba, cada amplificador operacional tiene su propia placa separada, llena de varios componentes. Cada placa tiene un circuito integrado de amplificador operacional, lo que hace que te preguntes por qué se necesitan tantos otros componentes. La respuesta es simple: las computadoras analógicas requieren un funcionamiento muy preciso del amplificador operacional. En particular, los opamps tuvieron que trabajar con señales a una corriente constante y baja frecuencia, pero, desafortunadamente, los opamps se comportan muy mal en este rango, les gustan más las frecuencias altas.

En 1949, se desarrolló una solución para el funcionamiento del amplificador operacional a bajas frecuencias: amplificadores chopper . La idea es esta: el helicóptero modula la señal de entrada, por ejemplo, a 400 Hz. El amplificador operacional amplifica alegremente esta señal alterna a 400 Hz. El segundo chopper demodula la señal variable de salida de nuevo a constante, lo que da resultados mucho mejores que la amplificación directa de una señal constante. Las placas para el amplificador operacional en una computadora analógica agregan un circuito chopper, complementando el circuito integrado del amplificador operacional y mejorando la calidad de su funcionamiento.

El trabajo del helicóptero se puede imaginar como el trabajo de una señal de radio AM de amplificador de amplitud. Es cierto que, a diferencia de AM, la demodulación debe ser "sensible a las fases" para distinguir entre una señal positiva y una negativa.

El diagrama (de este folleto ) muestra el diagrama de la placa del amplificador operacional. La idea es que parte de la señal de entrada pase a través de un condensador (filtro de paso alto) a un amplificador de CA. Además, la entrada va al "amplificador de CC estabilizador", en cuya entrada hay un chopper. La salida se demodula y pasa a través de un filtro de paso bajo (resistencia / condensador). Las dos salidas del amplificador se combinan y se incluyen en el "amplificador de CC", el amplificador de salida.

Presta atención a los elementos para reconocer y prevenir la sobrecarga. En una computadora analógica, la sobrecarga puede ocurrir con bastante facilidad cuando el valor calculado es más alto de lo esperado y va más allá del amplificador operacional (± 10 V). Como resultado, los resultados serán incorrectos. El amplificador operacional detecta la sobrecarga y enciende la lámpara en el panel para que el usuario sepa cuál es el problema. Una parte importante del trabajo de un programador de computadoras analógico es comprender cómo escalar los datos para que los valores matemáticos se ajusten a las limitaciones físicas del sistema.



El siguiente diagrama muestra una de las tablas opamp. Hoy en día, un amplificador operacional generalmente tiene una entrada positiva y negativa, pero las computadoras analógicas generalmente solo tienen una entrada negativa, por lo que resumieron los datos y los invirtieron. A la derecha puede ver la entrada (separada de todos los demás contactos a la izquierda para evitar ruidos). Las entradas se dividen en tres pistas. El primero conduce a un amplificador chopper DC. La señal pasa a través de un filtro de paso bajo para extraer la corriente continua y la señal de baja frecuencia. El chopper es simple: un transistor de efecto de campo con una unión JFET PN conecta a tierra alternativamente la señal bajo el control de un oscilador externo de 400 Hz. Tal señal modulada se suministra al amplificador operacional Amelco 809 IC, que apareció en 1967 (la compañía Amelco, ahora olvidada, una vez jugó un papel importante en la producción del amplificador operacional; en particular, hizo el primer amplificador operacional JFET). IP es un cilindro redondo de metal; entonces tales casos fueron populares y ayudaron a proteger el amplificador operacional del ruido. Finalmente, la salida del IC pasa a través de un segundo chopper y un filtro para la demodulación.


Tablero OA desde una computadora analógica, con grupos funcionales marcados. Aunque la placa utiliza amplificadores operacionales con circuitos integrados, se requiere un kit de cuerpo adicional para lograr el rendimiento requerido del amplificador operacional.
Hay contactos en el lado izquierdo, y aquí está el resultado de mi ingeniería inversa del tablero:
L: equilibrio en
K: picadora molida
J: señal de sobrecarga fuera
H: unidad de chopper en
F: tierra
E: tierra
D: -15V
C: + 15V
B: salida del amplificador operacional
A: sin usar

Luego, la segunda pista de entrada se combina con la salida del amplificador de CC. La mayoría de los amplificadores operacionales usan un par diferencial, y esta placa no es una excepción. En un par diferencial, dos transistores dan una gran ganancia a la diferencia entre las dos señales entrantes. Las señales de entrada del par diferencial son la señal de entrada de la placa y la señal del amplificador chopper DC, por lo que amplifica tanto la entrada inicial como la señal constante. Para que el amplificador operacional funcione correctamente, los dos transistores en el par diferencial deben estar perfectamente equilibrados. En particular, los transistores deben funcionar a la misma temperatura, por lo que están conectados por un clip de metal.


Los transistores importantes están conectados con un clip de metal para que funcionen a la misma temperatura. El par diferencial a la derecha y a la izquierda son las memorias intermedias del transistor de entrada.

La tercera pista de entrada va a un amplificador de CA. La señal entrante pasa a través de un filtro de paso alto (resistencia y condensador), y luego a través de un búfer de transistor simple. La señal de "propagación directa" se combina con la salida de un par diferencial para mejorar la respuesta de frecuencia del amplificador. En este punto, la señal de entrada se amplifica de tres maneras diferentes, lo que proporciona una buena calidad tanto en frecuencias bajas como altas.

La última etapa de la placa del amplificador operacional es un amplificador de salida que proporciona una corriente fuerte, que se utiliza en el resto de la computadora. Es un amplificador de clase AB . En ese momento, los transistores individuales carecían de energía, por lo que utiliza dos transistores NPN y dos transistores PNP.

Cada placa tiene una entrada y salida conectada a un panel de conexiones. A continuación, en la foto, los paneles del amplificador operacional (de A1 a A4) tienen forma de pastel; Sus entradas son verdes y sus salidas son rojas. Los amplificadores operacionales utilizados en los integradores también están conectados a condensadores integradores.


Primer plano de un panel de conexiones con conectores para A1, A3 y A4. Las entradas son verdes, las salidas son rojas. Las condiciones iniciales de IC son blancas. Conectores de potenciómetro amarillo.

En el panel de conexiones, cada amplificador operacional tiene varios conectores de entrada con diferentes valores de resistencia para escalar; Estos son los números 10 y 100 en la foto. La foto a continuación muestra estas resistencias de alta precisión (cilindros negros) conectadas directamente a los contactos del panel de conexiones. Las entradas del integrador se controlan mediante relés (a continuación) e interruptores electrónicos para que la computadora analógica pueda inicializar los condensadores integradores, iniciar el cálculo y guardar el resultado para el análisis.


Las resistencias (cilindros negros) están conectadas directamente a los terminales del panel de conexiones. Los relés en el medio controlan varios estados de la computadora: condiciones iniciales, operación y retención. Las placas se conectan a los pines verdes a continuación.

Conclusión

Aunque los circuitos integrados con amplificadores operacionales existían a fines de la década de 1960, su calidad no era suficiente para las computadoras analógicas. En cambio, para cada amplificador operacional, se utilizó una placa completa con componentes, combinando los circuitos integrados del amplificador operacional con choppers y otros elementos, lo que permitió implementar un opamp de alta precisión. Aunque las mejoras en la calidad de las IP han llevado a un aumento exponencial en la velocidad de la computación de las computadoras digitales, las computadoras analógicas tienen, en comparación con ellas, ventajas extremadamente pequeñas de las IP. Como resultado, las computadoras digitales ganaron, y las computadoras analógicas de hoy son solo artefactos históricos.


Panel de conexiones extraíble para una computadora analógica. Se programó conectando cables a través de los agujeros. El panel se puede quitar, por lo que mientras un programador estaba usando una computadora, otro podría conectar cables en ese momento.

Describo el circuito de una computadora analógica con tanto detalle porque estamos tratando de restaurarlo, pero carecemos de documentación. Por lo tanto, me dedico a la ingeniería inversa, tratando de entender cómo restaurarlo a las condiciones de funcionamiento y cómo programarlo. Aunque los diagramas de circuito de las placas son bastante simples, la computadora tiene muchos componentes que deben analizarse. Lo más difícil es comprender las conexiones en haces apretados de cables, y básicamente es necesario hacer esto con un multímetro.