Ingénierie inverse des amplificateurs opérationnels à faible bruit à partir d'un ordinateur analogique en 1969

Un article du blog de Ken Shirrif du Museum of Computer History

Nous sommes en train de restaurer un ordinateur vintage (1969, à en juger par le marquage des puces), récemment trouvé par un de nos employés. Les ordinateurs analogiques étaient autrefois populaires pour les calculs scientifiques rapides, mais ont presque disparu dans les années 1970. Ils sont intéressants dans un paradigme complètement différent des ordinateurs numériques. Dans cet article, je me concentrerai sur les amplificateurs opérationnels (amplificateurs opérationnels) utilisés dans cet ordinateur analogique, le modèle 240 de Simulators Inc.


Ordinateur analogique modèle 240 par Simulators Inc. - «ordinateur de bureau analogique haute précision à usage général» contenant jusqu'à 24 amplis opérationnels (il y en a 20 dans ce modèle).

Qu'est-ce qu'un ordinateur analogique?

Un ordinateur analogique effectue des calculs à l'aide de valeurs physiques variables en continu, telles que la tension. Contrairement à cela, un ordinateur numérique utilise des valeurs binaires discrètes. Les ordinateurs analogiques ont une longue histoire - cela comprend les engrenages et les engrenages, les règles de glissement , les intégrateurs mécaniques à disque et à billes , les ordinateurs de marée et les systèmes de guidage mécanique. Cependant, les ordinateurs analogiques «classiques» des années 50 et 60 utilisent des amplificateurs opérationnels et des intégrateurs pour résoudre des équations différentielles. Habituellement, ils ont été programmés en connectant les fils au panneau de brassage, ce qui a conduit à l'apparition d'un méli-mélo de fils.


«Programmation» des ordinateurs analogiques en connectant les fils au panneau de brassage. Ce panneau provient d'un ordinateur analogique EAI

Le grand avantage des ordinateurs analogiques était leur vitesse. Ils ont calculé les résultats presque instantanément, car leurs composants fonctionnaient en parallèle. Les ordinateurs numériques ont parfois eu besoin de souffler sur l'informatique pendant longtemps. En conséquence, les ordinateurs analogiques étaient les plus utiles dans les simulations en temps réel. L'inconvénient des ordinateurs analogiques était que leur précision dépendait directement de la précision de leurs composants; si vous aviez besoin d'une précision à 4 chiffres, vous aviez besoin de résistances coûteuses avec une précision de 0,01%. Dans le même temps, les ordinateurs numériques peuvent être réalisés avec n'importe quelle précision, en utilisant simplement plus de bits. Malheureusement pour les ordinateurs analogiques, la vitesse et la puissance des ordinateurs numériques ont augmenté de façon exponentielle, et dans les années 1970, il n'y avait pratiquement aucune raison d'utiliser l'analogique.

À l'intérieur d'un ordinateur analogique

Le cœur d'un ordinateur analogique est ses amplificateurs opérationnels (amplificateurs opérationnels). Les amplificateurs opérationnels peuvent résumer et mettre à l'échelle le signal d'entrée, fournissant les calculs mathématiques les plus simples. Plus important encore, en combinant un ampli-op avec un condensateur précis, des intégrateurs pourraient être créés. L'intégrateur a intégré l'entrée au fil du temps, chargeant le condensateur. Cela a permis aux ordinateurs analogiques de résoudre des équations différentielles. Il peut sembler étrange que l'intégration, une opération mathématique complexe, soit la pierre angulaire des ordinateurs analogiques, mais c'est ainsi que le matériel fonctionnait.


Les intégrateurs informatiques analogiques utilisaient des condensateurs de grande précision. En haut, vous pouvez voir un condensateur variable (personnalisable) à 10 nF, et un grand boîtier métallique en bas est un condensateur variable à 10 uF. Ces condensateurs ont été fabriqués de manière à ce que la fuite soit extrêmement faible et que la valeur intégrable ne s'en échappe pas. Au premier plan se trouve un relais pour sélectionner les condensateurs.

Les ordinateurs analogiques utilisaient plusieurs potentiomètres pour définir les valeurs d'entrée et les constantes de mise à l'échelle. Pour garantir une précision de réglage élevée, les potentiomètres peuvent être tournés jusqu'à 10 fois. Pour vérifier les potentiomètres, un voltmètre a été utilisé. Il pouvait également être utilisé pour démontrer les valeurs de sortie, mais le plus souvent, elles étaient affichées sur un oscilloscope, une bande graphique ou un traceur.


Ci-dessus, la section numérique d'un ordinateur analogique. En bas se trouvent des potentiomètres; Ce modèle informatique ne possède pas de potentiomètres. Au lieu d'un panneau vierge, un voltmètre numérique pourrait être en haut à gauche.

Certains ordinateurs analogiques avaient également des composants numériques - portes, déclencheurs, multivibrateurs monostables et compteurs. Une telle fonctionnalité a permis d'effectuer des calculs plus complexes - par exemple, itérer sur des solutions dans l'espace des solutions. Notre ordinateur possède une logique numérique accessible via le panneau de brassage couleur (illustré ci-dessus).

Sur la photo ci-dessous, l'ordinateur est partiellement démonté. À l'intérieur, il s'est avéré être plus complexe que ce à quoi je m'attendais, avec de nombreux circuits imprimés. Nous avons retiré le panneau de brassage, ce qui nous a ouvert une grille de contacts. Un câble connecté au panneau de brassage ferme les contacts et configure le programme. Cinq modules ont été trouvés derrière le panneau de l'ordinateur: le plus à gauche est retiré et se trouve devant l'ordinateur (en général, il y a une place pour six modules à l'intérieur, mais un n'a pas été installé - apparemment, c'est un modèle moins cher, et donc il n'a pas installé plusieurs potentiomètres). La carte, visible en haut, prend en charge la logique numérique et deux multiplicateurs analogiques. Les circuits d'alimentation et du panneau avant sont situés en bas.


Ordinateur analogique avec couvercle retiré. L'un des modules est retiré et se trouve devant lui.

Vous trouverez ci-dessous une photo rapprochée du module, ainsi que les contacts du panneau à l'avant. Huit planches sont visibles derrière. De gauche à droite sur les cartes: quatre amplis op (4 cartes), divers circuits (1 carte) et un multiplicateur (3 cartes). Dans un ordinateur analogique, la multiplication était étonnamment difficile à mettre en œuvre; Trois cartes sont nécessaires pour un seul circuit qui multiplie deux valeurs.

Les ordinateurs analogiques pourraient calculer des fonctions arbitraires en utilisant des réseaux de diodes-résistances. Pour la multiplication, les réseaux ont été réglés pour calculer une fonction parabolique. La multiplication a été envisagée à travers l'identité X × Y = ((X + Y) ² - (XY) ² ) / 4. Les sommes et les différences ont été calculées au moyen de l'ampli-op, et le carré à travers le générateur de la fonction parabolique.


Un des modules. Des «doigts» sur les contacts avant sont insérés dans le panneau de brassage. Derrière eux se trouvent des résistances carrées de haute précision visibles (0,01%).

Amplificateurs opérationnels

Sur la photo ci-dessus, chaque ampli op a sa propre carte séparée, remplie de divers composants. Chaque carte a un circuit intégré d'ampli op, ce qui vous fait vous demander pourquoi tant d'autres composants sont nécessaires. La réponse est simple: les ordinateurs analogiques nécessitent un fonctionnement très précis de l'ampli-op. En particulier, les opamps devaient travailler avec des signaux à courant constant et basse fréquence, mais, malheureusement, les opamps se comportent très mal dans cette gamme, ils aiment plus les hautes fréquences.

En 1949, une solution a été développée pour le fonctionnement de l'ampli-op à basses fréquences: les amplificateurs chopper . L'idée est la suivante: le hacheur module le signal d'entrée, disons, à 400 Hz. L'ampli-op amplifie joyeusement ce signal alternatif à 400 Hz. Le second hacheur démodule le signal variable de sortie à la constante, ce qui donne de bien meilleurs résultats que l'amplification directe d'un signal constant. Les cartes pour l'ampli op dans un ordinateur analogique ajoutent un circuit hacheur, complétant le circuit intégré de l'ampli op et améliorant la qualité de son fonctionnement.

Le travail du hacheur peut être imaginé comme le travail d'un amplificateur d'amplitude du signal radio AM. Certes, contrairement à AM, la démodulation doit être «sensible à la phase» afin de faire la distinction entre un signal positif et un signal négatif.

Le schéma (de cette brochure ) montre le schéma de la carte ampli-op. L'idée est qu'une partie du signal d'entrée passe à travers un condensateur (filtre passe-haut) dans un amplificateur AC. De plus, l'entrée va à "l'amplificateur DC stabilisateur", à l'entrée duquel se trouve un hacheur. La sortie est démodulée et passe à travers un filtre passe-bas (résistance / condensateur). Les deux sorties de l'amplificateur sont combinées et sont incluses dans "l'amplificateur DC", l'amplificateur de sortie.

Faites attention aux éléments pour reconnaître et prévenir la surcharge. Dans un ordinateur analogique, la surcharge peut se produire assez facilement lorsque la valeur calculée est supérieure à celle attendue et dépasse l'ampli-op (± 10 V). Par conséquent, les résultats seront incorrects. L'ampli-op attrape la surcharge et allume la lampe sur le panneau pour que l'utilisateur sache quel est le problème. Une partie importante du travail d'un programmeur informatique analogique consiste à comprendre comment mettre à l'échelle les données afin que les valeurs mathématiques correspondent aux limites physiques du système.



Le schéma ci-dessous montre l'une des cartes opamp. Aujourd'hui, un ampli op a généralement une entrée positive et négative, mais les ordinateurs analogiques n'ont généralement qu'une entrée négative - ils ont donc résumé les données et les ont inversées. Sur la droite, vous pouvez voir l'entrée (séparée de tous les autres contacts sur la gauche pour éviter le bruit). Les entrées sont divisées en trois pistes. Le premier conduit à un amplificateur hacheur DC. Le signal passe à travers un filtre passe-bas pour extraire le courant continu et le signal basse fréquence. Le hacheur est simple: un transistor à effet de champ avec une jonction PN JFET met alternativement le signal à la terre sous le contrôle d'un oscillateur externe de 400 Hz. Un tel signal modulé est envoyé à l'ampli opérationnel IC Amelco 809, qui est apparu en 1967 (la société Amelco, aujourd'hui oubliée, a joué un rôle important dans la production d'amplificateurs opérationnels; en particulier, il a fabriqué le premier ampli opérationnel JFET). IP est un cylindre rond en métal; ces cas étaient alors populaires et aidaient à protéger l'ampli-op du bruit. Enfin, la sortie du CI passe par un second hacheur et un filtre de démodulation.


Carte OA d'un ordinateur analogique, avec des groupes fonctionnels balisés. Bien que la carte utilise des amplificateurs opérationnels avec des circuits intégrés, un kit de boîtier supplémentaire est requis pour obtenir les performances d'amplificateur opérationnel requises.
Il y a des contacts sur le côté gauche, et voici le résultat de mon reverse engineering de la carte:
L: équilibre en
K: hachoir au sol
J: signal de surcharge en sortie
H: chopper drive in
F: sol
E: sol
D: -15V
C: + 15 V
B: sortie ampli op
A: inutilisé

Ensuite, la deuxième piste d'entrée est combinée avec la sortie de l'amplificateur CC. La plupart des amplis opérationnels utilisent une paire différentielle, et cette carte ne fait pas exception. Dans une paire différentielle, deux transistors donnent un gain important à la différence entre les deux signaux entrants. Les signaux d'entrée de la paire différentielle sont le signal d'entrée de la carte et le signal de l'amplificateur à découpage CC, de sorte qu'il amplifie à la fois l'entrée initiale et le signal constant. Pour que l'ampli op fonctionne correctement, les deux transistors de la paire différentielle doivent être parfaitement équilibrés. En particulier, les transistors doivent fonctionner à la même température, ils sont donc connectés par un clip métallique.


Les transistors importants sont connectés avec un clip métallique afin qu'ils fonctionnent à la même température. Les paires différentielles à droite et à gauche sont les tampons de transistor d'entrée.

La troisième piste d'entrée va à un amplificateur AC. Le signal entrant passe à travers un filtre passe-haut (résistance et condensateur), puis à travers un simple tampon de transistor. Le signal de «propagation directe» est combiné avec la sortie d'une paire différentielle pour améliorer la réponse en fréquence de l'amplificateur. À ce stade, le signal d'entrée est amplifié de trois manières différentes, ce qui donne une bonne qualité à la fois aux basses et aux hautes fréquences.

Le dernier étage de la carte d'amplificateur opérationnel est un amplificateur de sortie qui fournit un fort courant, qui est utilisé dans le reste de l'ordinateur. Il s'agit d'un amplificateur de classe AB . À cette époque, les transistors individuels manquaient de puissance, il utilise donc deux transistors NPN et deux transistors PNP.

Chaque carte a une entrée et une sortie connectées à un panneau de brassage. Ci-dessous sur la photo, les panneaux d'ampli op (de A1 à A4) sont en forme de morceaux de gâteau; leurs entrées sont vertes et leurs sorties sont rouges. Les amplificateurs opérationnels utilisés dans les intégrateurs sont également connectés à des condensateurs d'intégration.


Gros plan d'un panneau de brassage avec connecteurs pour A1, A3 et A4. Les entrées sont vertes, les sorties sont rouges. Les conditions initiales de IC sont blanches. Connecteurs de potentiomètre jaune.

Sur le panneau de brassage, chaque ampli-op a plusieurs connecteurs d'entrée avec différentes valeurs de résistance pour la mise à l'échelle; ce sont les numéros 10 et 100 sur la photo. La photo ci-dessous montre ces résistances de haute précision (cylindres noirs) directement connectées aux contacts du panneau de brassage. Les entrées de l'intégrateur sont contrôlées par des relais (ci-dessous) et des commutateurs électroniques afin que l'ordinateur analogique puisse initialiser les condensateurs d'intégration, démarrer le calcul et enregistrer le résultat pour l'analyse.


Les résistances (cylindres noirs) sont directement connectées aux bornes du panneau de brassage. Les relais du milieu contrôlent différents états de l'ordinateur: conditions initiales, fonctionnement et rétention. Les cartes se connectent aux broches vertes ci-dessous.

Conclusion

Bien que des circuits intégrés avec amplificateurs opérationnels existaient à la fin des années 1960, leur qualité n'était pas suffisante pour les ordinateurs analogiques. Au lieu de cela, pour chaque ampli-op, une carte entière avec des composants a été utilisée, combinant les circuits intégrés de l'ampli-op avec des hacheurs et d'autres éléments, ce qui a permis de mettre en œuvre un ampli-op de haute précision. Bien que l'amélioration de la qualité des IP ait entraîné une augmentation exponentielle de la vitesse de calcul des ordinateurs numériques, les ordinateurs analogiques ont, par rapport à eux, des avantages extrêmement faibles par rapport aux IP. En conséquence, les ordinateurs numériques ont gagné et les ordinateurs analogiques ne sont aujourd'hui que des artefacts historiques.


Panneau de brassage amovible pour un ordinateur analogique. Il a été programmé en connectant des fils à travers les trous. Le panneau peut être retiré, donc pendant qu'un programmeur utilisait un ordinateur, un autre pouvait connecter des fils à ce moment-là.

Je décris le circuit d'un ordinateur analogique avec autant de détails parce que nous essayons de le restaurer, mais nous manquons de documentation. Par conséquent, je suis engagé dans l'ingénierie inverse, essayant de comprendre comment le remettre en état de marche et comment le programmer. Bien que les schémas des circuits des cartes soient assez simples, l'ordinateur a beaucoup de composants qui doivent être analysés. Le plus difficile est de comprendre les connexions dans des faisceaux serrés de fils, et fondamentalement, il est nécessaire de le faire avec un multimètre.