Выходной каскад согласовывал выходное напряжение с последующими схемами — он уменьшал выходное сопротивление. А еще RC-цепочки, предотвращающие самовозбуждение.
Но самым главным элементом операционного усилителя была отрицательная обратная связь. Она не только позволяла создать усилитель одновременно и с большим, и со стабильным коэффициентом усиления, но ее характер определял функцию, которую выполнял операционник над входным сигналом. Она определялась типом и сочетанием элементов, включенных в обратную связь или на входе — суммирование, дифференцирование, интегрирование и так далее. А номинальная величина сопротивления или конденсатора задавали коэффициенты, с которыми идет обработка. Например, отношение величины входного сопротивления к сопротивлению обратной связи будет коэффициентом, с которым участвует напряжение на данном входе в суммировании с остальными входами. Простота реализации разных функций буквально покорила наших разработчиков, и я стал опасаться, что они излишне увлекутся аналоговыми схемами.
Конечно, эта простота была относительна, а на самом деле операционный усилитель был гораздо сложнее обычных схем. Так-то суммирование токов можно было бы сделать и на обычных резисторах, без применения схем на электронных лампах. Но в этом случае ошибка суммирования будет зависеть от количества входов и значения напряжений на каждом входе — то есть схему пришлось бы поднастраивать на каждое сочетание входных напряжений. На операционниках этого не происходит — схема сама выполняет компенсацию. То же с дифференцированием — его выполняет и обычная RC-цепь, но помимо того, что она работает дольше, она вносит погрешность — рост напряжения на конденсаторе отстает или опережает рост входного напряжения. В дифференцирующем ОУ это расхождение усиливается лампами, что ускоряет рост напряжения на конденсаторе в то же количество раз, что и коэффициент усиления ОУ — а это десятки тысяч раз. Конечно, какое-то запаздывание имеется, и это надо учитывать, но оно совершенно не сравнимо с запаздыванием обычной RC-цепочки, а уж по точности они и рядом не валялись. Аналогично, интегрирование с применением операционников выполняется также RC-цепями, только теперь конденсатор включается между сигналом и землей, а не во входную линию. И в этом случае ОУ также дает увеличение быстродействия и точности, только теперь в обратную связь включается не резистор, а конденсатор.
Да, операционники тоже давали погрешность, но ее можно было контролировать в гораздо более широких пределах. Если на обычных RC-цепях конденсатор постепенно разряжается, то операционники свой конденсатор подпитывают, и чем дольше идет то же интегрирование — тем точнее оно получится. Мы ограничивались погрешностью в один процент, поэтому время с начала интегрирования до момента, когда проинтегрированное значение начинало использоваться в последующих каскадах, не превышало трех секунд даже для ОУ с общим усилением в тысячу раз, а допустимое время, в течение которого могли интегрировать входной сигнал, составляло более минуты — по сравнению с обычной RC-цепью, где уже после шести сотых секунды возникала ошибка интегрирования более одного процента — обычные цепи резистор-конденсатор явно не подходили для управления технологическими процессами, где требовалось отслеживать изменение параметров в течение минимум нескольких секунд, а то и минут. Увеличив усиление в десять раз, мы снизили время начала интегрирования с указанной точностью до одной секунды, а максимальное время интегрирования — увеличили до десяти минут.
Сглаживание сигналов также было одной из работ операционников. Особенно они были полезны для сглаживания низкочастотных сигналов, так как, если бы сглаживание делали на фильтрах, то они получались бы очень громоздкими, с малым уровнем выходного напряжения, да к тому же они вносят фазовые искажения за счет запаздывания выходного сигнала при прохождении через фильтр. Что самое замечательное — "смена деятельности" конкретного операционника выполнялось перестановкой пассивных элементов. Так, если в дифференциаторе в обратную связь включается резистор, а в интеграторе — конденсатор, то в сглаживателе — включенные параллельно резистор и конденсатор, с помощью которых подбирают постоянную времени сглаживания, то есть будут сглаживаться те сигналы, чья длительность окажется меньше времени этой постоянной. А остальная электронная схема остается без изменений. Сглаживающие операционники широко применялись в тех же системах наведения ракет — схемы сглаживания с компенсацией запаздывания позволяли сглаживать случайные колебания в сигналах управления, вызванные неравномерным вращением рукояток, и вместе с тем управляющий сигнал подавался на выход практически без задержки, что уменьшало величину динамической ошибки — компенсацию запаздывания выполняла схема дифференцирования, которая выдавала на выход начальный скачок напряжения, почти равный окончательному напряжению, которое устанавливалось после сглаживания — к лету сорок второго наши разработчики систем управления уже переходили на стадию волшебства, хакерства, когда подобными хитрыми и одновременно простыми методами можно было существенно улучшить работу систем и повысить их эффективность. А у меня появлялось ощущение, что мы вместо цифровой эры входим в эру аналоговых вычислений.
---
Это меня не радовало, так как я-то рассчитывал на милую мне "цифру", и возиться с, условно говоря, "патефонными пластинками" вместо "mp3" мне как-то не хотелось. Нет, в детстве я пластинками пользовался довольно часто, но уже давно был избалован цифровыми технологиями, и послушать пластинки мог бы только в качестве экзотики да ностальгии, но не более того. "Теплый цифровой файл" был мне гораздо милее.
Но вместе с тем, наши аналоговые блоки делали все, что было нужно инженерам. Так чего еще желать? Операционные усилители позволяли выполнять разнообразные функции — сложение, вычитание, умножение, деление, интегрирование, дифференцирование, логарифмические операции — и каждая операция требовала в среднем шести-восьми ламп. А несколько блоков, соединенных в последовательности обработки сигналов, реализовывали алгоритм, который в случае применения цифровых машин требовал тысяч транзисторов и десятков, а то и сотен корпусов наших микросхем — даже если реализовывать его аппаратно. Да, цифровая ЭВМ в общем случае была более универсальна, обеспечивала более высокую точность, но за счет этой чертовой простоты операционников их можно было просто скомпоновать в нужном порядке, заложив в него нужный алгоритм — и мы получали то же самое с меньшими затратами — одна ЭВМ ведь не сможет одновременно обрабатывать несколько алгоритмов, а схемы на операционниках — более чем, причем с гораздо меньшими аппаратными затратами.
Я был, мягко говоря, удручен — столько сил потратить на разработку и проектирование цифровых машин, чтобы получить такой удар под дых. Да еще от кого? От автоматизаторов, которых я поначалу чуть ли не насильно заставлял заниматься именно автоматизацией технологических процессов и расчетов, предполагая, что в скором времени получу большое количество обученных кадров. И вот эти "кадры" массово начали применять эти аналоговые "вычислительные" блоки, которые только и делали, что преобразовывали сигналы по нужному закону.
Технари научились моделировать и довольно сложные функции управляющих сигналов — делали их кусочно-линейную апроксимацию схемами на операционниках и диодах с резисторной обвязкой функций — каждым таким сочетанием операционник-диод реализовывали один из кусков функции, так что порой конструкция содержала до двадцати блоков. Но это никого не смущало — для радиотехников мы уже выпускали макетные печатные платы, где под радиоэлементы были насверлены и омеднены поля отверстий, так разработчики аналоговой управляющей и вычислительной техники довольно быстро приспособили эти платы под свои нужды, отлаживая на них свои схемы.
