Ejes y amplificadores estabilizados por hacha, ¿de qué se trata entonces?

Nora Prieto
Nora Prieto

Uno de mis primeros trabajos como ingeniero graduado recién creado fue el mantenimiento de un conjunto de grabadoras de habilidades analógicas. Eran piezas de museo de principios de los noventa: un rollo motorizado de papel milimétrico por el que pasaba un bolígrafo en proporción al voltaje en los terminales de entrada. En el interior había un servicio sencillo, con un amplificador diferencial comparando las reacciones mediante un potenciómetro del mecanismo con la entrada amplificada.

Las grabadoras se originaron a principios de la década de 1960 y, internamente, sus componentes electrónicos eran de la era de los transistores germánicos: muchos dispositivos de la serie Mullard-OC, tubos de vidrio pintados de negro con un punto rojo e, inesperadamente, un gran electroimán conectado a la corriente alterna de 50 Hz. suministro con un interruptor de bastón por el medio, algo completamente nuevo para un joven demasiado confiado que pensaba que lo sabía todo.

Lo que encontré fue un amplificador de helicóptero, una solución ligeramente desagradable y reemplazada durante mucho tiempo al problema de la amplificación continua de los días anteriores a los circuitos integrados ubicuos. Estamos tan acostumbrados a los amplificadores de CC que solo trabajo, que nos olvidamos de que hubo un momento en que tales dispositivos eran imposibles. La estrecha coincidencia de características entre dispositivos en la misma oblea permitió que los amplificadores de observación de circuitos integrados lograran una amplificación continua estable de modo que las mejores pruebas en los mismos circuitos con transistores discretos fallaran, pero antes de que sucedieran, se necesitaban algunas medidas desesperadas.

El amplificador de helicóptero clásico. De Analog Devices, tutorial sobre MT-055.

El amplificador de helicóptero dependía de la simple premisa de que, con la tecnología de la década de 1950, era difícil producir un buen amplificador de CC pero fácil producir un buen amplificador de CA. Por lo tanto, una señal de entrada de CC se moduló en una fuente de CA, se suministró a través de un amplificador de CA, luego se demoduló y pasó a través de un filtro de paso bajo para recuperar la señal de CC amplificada. En mis grabadoras inteligentes, la modulación y demodulación se logró con el interruptor de 50 Hz, y el amplificador de CA del transistor de germanio pudo hacer un buen trabajo con la onda cuadrada de 50 Hz resultante.

Los amplificadores de helicópteros se encontraron comúnmente en instrumentación y otras aplicaciones durante el período hasta el advenimiento de los amplificadores de circuitos integrados asequibles en la década de 1960. Cuando llegaron estos componentes, proporcionaron un solo componente que era un amplificador diferencial en lugar del amplificador simple del hacker, con mejor ganancia y un ancho de banda mucho mayor a una fracción del precio y sin ninguna complejidad. Puede imaginar que el leñador será entregado a la historia entonces por este desarrollo, ¡pero ese no es el caso! Un amplificador de circuito integrado es un elemento increíblemente versátil que se puede tener en muchas variantes diferentes para contener una amplia gama de aplicaciones, pero tiene un talón Achilies. Es difícil crear un amplificador de ópera con poco ruido en fracciones de Hz, es decir, en frecuencias cercanas a la CC.

Amplificador estabilizado por helicóptero, de la nota de programa Texas Instruments: Automotive Zero Amplifiers facilita el diseño de alta precisión.

La solución al problema de la baja eficiencia del ruido de CC del amplificador operacional provino de un retorno al hacha, pero solo como un aditivo para el amplificador operacional en lugar de su reemplazo. El amplificador operacional estabilizado por hacha es un amplificador operacional estándar configurado como un amplificador de CA con un amplificador hacha tradicional (etiquetado como “amplificador estabilizador” en nuestro diagrama) en el camino hacia su entrada no inversora. Este se convierte en un dispositivo bidireccional, con los componentes de alta frecuencia amplificados por el amplificador del observatorio con su ancho de banda superior, pero el componente continuo amplificado por el amplificador del helicóptero, para el cual el amplificador del observatorio se convierte simplemente en un búfer. El circuito completo sigue siendo de un solo extremo, pero se ha convertido en un amplificador de gran ancho de banda con un rendimiento de CC de muy bajo ruido.

Amplificador cero de coche básico, de Maxim Integrated note 4179.

Hay un refinamiento final del amplificador de helicóptero y se puede comprar en los estantes de muchos fabricantes. El amplificador de cero automático utiliza un amplificador de helicóptero y un amplificador de observación, así como el amplificador estabilizado por hacha, excepto que el hacha no contribuye directamente a la salida. En su lugar, forma un par de amplificadores de muestreo y retención, recortando alternativamente su propio desplazamiento como amplificador diferencial y luego recortando el desplazamiento del otro amplificador de observatorio que hace la amplificación. Esto tiene el efecto de reducir el ruido de CC del amplificador en la misma medida que el amplificador de helicóptero simple, pero conservando las entradas diferenciales del amplificador.

Es poco probable que alguno de los que lean este artículo se ocupe de los antiguos grabadores de habilidades para ganarse la vida, aunque leer La-Tecnologia nunca dejará de sorprendernos. Entonces, si se encuentra con un amplificador de helicóptero, probablemente será de la variedad final, un chip amplificador de cero automático, que probablemente le parecerá ser solo otro amplificador operacional que usa para un medidor de voltaje o similar. Pero incluso si el placer de mantener un vibrante cambio de bastón de la década de 1950 nunca le traerá arrugas a la frente, vale la pena saber algo sobre cómo funcionan. Para obtener más información, sugiero que su próxima visita sean las numerosas notas de solicitud y hojas de datos sobre el tema que se encuentran en el sitio web o los pocos enlaces de esta página. ¡Nunca puedes tener demasiados circuitos almacenados en tu cerebro!

Imagen: interruptor vibratorio mecánico utilizado en un amplificador de helicóptero antiguo. Secuela binaria [CC BY-SA 4.0].

  • leeahart dice:

    De hecho, cada uno de nosotros tiene un estabilizador de helicóptero directamente en nuestro banco que usamos todos los días. Los multímetros digitales los utilizan para garantizar automáticamente una lectura cero con una entrada de 0 voltios. Los chips DMM ya los tenían el Intersil 7106 de principios de la década de 1980.

    • NiHaoMike dice:

      Muchos multímetros modernos no utilizan ADC cero automático. Muy pocos usan Delta Sigma, un dispositivo muy versátil que realmente necesita su propio artículo. También hay algunas empresas de compensación que no utilizan técnicas de eliminación, para aplicaciones como audio, donde la oportunidad de agregar ruido es inaceptable.

      • InfinitoAmarilloParcelas dice:

        https://la-tecnologia.com/2016/07/07/tearing-into-delta-sigma-adcs-part-1/

        https://la-tecnologia.com/2016/08/11/tearing-into-delta-sigma-adcs-part-2/

        🙂

      • David Hess dice:

        Antes de que estuvieran disponibles los transformadores de integración CMOS integrados, muchos multímetros digitales funcionaban sin cancelación automática en absoluto. El método común era sesgar una etapa JFET de entrada a su punto de coeficiente de temperatura cero y esto funciona sorprendentemente bien dando un buen rendimiento con una resolución de al menos 4-1 / 2 dígitos. Tengo una forma diseñada de tal manera que utilizo para un control prudente porque no se someten a inyección de carga como puede hacer una etapa de entrada automática cero o estabilizada por eje.

        Los convertidores delta sigma, por su naturaleza, piratean su etapa de entrada al obtener todos los beneficios de los mismos.

        Los amplificadores estabilizados por helicóptero solo se utilizan para entradas de multímetro digital por principiantes, ya que su alta corriente de entrada de inyección de carga entra en conflicto con una alta impedancia de entrada. En realidad, solo se usan en circuitos con baja impedancia.

    • David Hess dice:

      El Intersil 7106 y convertidores de integración similares tienen cero automático en lugar de estabilización de helicóptero como se muestra en el ejemplo anterior o como se encontraría en un amplificador de helicóptero, que siempre actúa como un inversor. En lugar de cancelar el voltaje compensatorio entre la entrada inversora y no inversora, cancelan el desplazamiento cuando el voltaje operativo común es cero. Esto tiene el efecto secundario de * no * eliminar los modos comunes y el seguidor de voltaje CMOS integrado utilizado para la linealidad del límite del búfer. Esto no es un problema para el 7106, ya que solo tiene 3-1 / 2 dígitos, pero la integración de convertidores contemporáneos que proporcionaban una resolución más alta también tenía un mejor búfer externo.

  • rewolff dice:

    Mi primera pasantía en 1987 fue en una empresa que producía grabadoras de forma activa. Reconocieron que esta tecnología había desaparecido y se pasaron a las impresoras de construcción.

  • Cuenta dice:

    En los años 70, tenía una grabadora de felpa XY que usaba amplificadores estabilizados con ejes de válvulas (válvulas).

  • TheRegnirps. dice:

    Haga una entrada de blog sobre palabras clave.

  • BobH dice:

    Todavía se utilizan para amplificadores de compensación ultrabaja, como los amplificadores de detección de corriente del lado bajo.

  • inclinarse dice:

    Esas viejas grabadoras inteligentes aún no están muertas. ¡Todavía los uso todos los días en mi trabajo! Son muy temperamentales y tienden a sacar los dientes de sus vehículos.

  • micro piedra dice:

    La piratería es todavía un tema de investigación activa y el vocabulario ha evolucionado un poco. El circuito en la nota del programa analógico (arriba etiquetado como “helicóptero clásico”) ahora entra en la categoría de “cancelación compensatoria”.

    Actualmente, la piratería se considera una técnica de modulación similar a la radio: combina la interesante señal de baja frecuencia con una portadora de alta frecuencia, la ejecuta a través de un amplificador conectado a CA con una alta ganancia, inserta la salida de eso en un divisor de voltaje que cae la ganancia de nuevo a 1, luego retire el portador. El acoplamiento de CA bloquea el voltaje de compensación de entrada de CC del amplificador, y el paso de refuerzo y luego división reduce el funcionamiento del amplificador a 1 / ganancia en la salida.

    La característica definitoria es que la piratería produce una salida continua. No importa cuando mires la salida del hacha, está mal compensada y baja.

    La cancelación de compensación se considera diferente porque utiliza muestreo en lugar de modulación: el circuito dedica el 50% de su tiempo a capturar su propio error de compensación y deriva, y el 50% de su tiempo a restar el error capturado de la entrada amplificada. La salida es una onda cuadrada que se relaciona solo con la entrada la mitad del tiempo.

    La gran ventaja de la cancelación de compensación es que el amplificador puede funcionar a máxima velocidad durante la mitad en la que la salida está conectada a la entrada. La piratería, como todos los procesos de modulación, tiene problemas cuando la entrada es más de la mitad de la frecuencia de modulación.

    Hay tres formas principales de lidiar con la salida de onda cuadrada:

    1) Puede filtrarlo, pero eso pierde la ventaja de poder operar el amplificador a toda velocidad.

    2) Puede usar un circuito de retención de pista para capturar las partes de la salida relacionadas con la señal y omitir las partes que caen a 0V. Eso es mejor, pero la salida solo se relaciona con la entrada a mitad de camino.

    3) Puede utilizar dos amplificadores compensados ​​inactivos entre sí. Cuando uno se da cuenta de su propio error, el otro produce un resultado válido. Esto se denomina “amplificador ping-pong” y proporciona la mejor combinación de cancelación de compensación y funcionamiento a máxima velocidad. Sin embargo, también es el más complejo … necesita dos amplificadores completos y una red de conmutación para las salidas.

    • TheRegnirps. dice:

      Creo que los detectores SDR hacen esto. Una brillante cantidad de trabajo a principios de la década de 1990 mostró cómo reemplazar un mezclador con un hacha (cuadrada). Elimina la necesidad de hacer un producto de señales de alta frecuencia. Apagar y encender la señal es lo mismo que multiplicar por una onda cuadrada. Y dado que una onda cuadrada es la suma de todas las frecuencias impares en una serie de Fourier, bueno, puede ver hacia dónde se dirige. Y no hay distorsión como en los mezcladores de semiconductores que utilizan las regiones no lineales para obtener productos.

  • dcfusor2015 dice:

    Todavía tengo una configuración antigua de Grass-Telefactor que usamos para EEG, pero originalmente pensé que se usaba para polígrafos que tenían ejes. Y dejaré esto aquí, un sitio web creado por un viejo amigo Joe Sousa en Philbrick. También tengo muchas de estas cosas, y en parte del trabajo físico que hago, sigue siendo valioso porque es mucho más difícil dañar un triodo gemelo que una combinación de semiconductores, incluso MOV y diodos de protección, con pulsos de alta tensión muy rápidos en arcos.
    http://www.philbrickarchive.org/
    Si presta atención a los nombres en el archivo philbrick, notará que muchas de las personas que escribieron las notas del programa de las que aprendimos electrónica, trabajaron allí antes de National, Motorola, Analog Devices, TI, etc. Ahí es realmente donde comenzó un poco de esto.
    (Bona, Jenny)

    • Roger Bark dice:

      Recientemente descubrí que mi padre, Raymond S. Bark, era inventor / propietario de la patente de uno de los “amplificadores de helicóptero” originales. Esto sucedió a través de Boeing Airplane Co. en Seattle en la década de 1950. Tenía un gran interés en la instrumentación médica y trabajó en las primeras etapas del programa espacial de EE. UU. Para hacer una miniatura de los dispositivos que usaban los astronautas para verificar sus signos vitales. También trabajó en el campo más secreto de la telemetría con un cohete.

  • Komradebob dice:

    Los sensores de cabezal de potencia RF / Agilent / Keysight RF (buenos para mediciones en el rango de -70dbm a 25 GHz) también utilizan ejes. Toman un par de diodos o un termistor expuesto a RF y lo entregan a un amplificador de helicóptero que transmite la señal al propio medidor. Consulte el esquema HP8484A en algún momento. Bastante impresionante un poco de ingeniería.
    KI2L

  • Mateo dice:

    Gracias Jenny, siempre aprendo algo de tus publicaciones.

  • Allan H. dice:

    1. Se utilizaron técnicas similares (anillos de diodos utilizados como (des) moduladores + amplificadores de válvula acoplados por transformador) en el sistema de dirección del cohete V2 durante la Segunda Guerra Mundial. Los esquemas están disponibles en línea … en cualquier lugar.

    2. Hay una advertencia importante sobre algún tipo de sistema de cero automático opamp que funciona cancelando el voltaje de entrada diferencial: depende de que el circuito de reacción externo mantenga las entradas aproximadamente el mismo voltaje. Si la salida del amplificador operacional golpea los rieles, el voltaje de entrada ya no se controla y el cero automático comenzará a fluir (en su inútil intento de cancelar el ahora gran voltaje de entrada diferencial). Esto puede dar lugar a tiempos de recuperación muy prolongados.
    La única forma real de lidiar con esto es evitarlo, ya sea limitando el voltaje de entrada antes del opamp o usando algún tipo de dispositivo no lineal (por ejemplo, zeners conectados en serie inversa) en la ruta de retroalimentación.

    • John Honniball dice:

      Estas técnicas también aparecen en los circuitos RADAR, que se describen en la serie de libros Rad Lab. Acabo de leer “Formas de onda” (volumen 19 de 28) y menciona la modulación y la demodulación como una forma de evitar la necesidad de amplificadores de CC. También menciona al Syncho como una especie de modulador mecánico.

  • Trevor dice:

    Ah, el bueno de OC71.

  • Mystick dice:

    “… con una mejor ganancia y un ancho de banda mucho mayor a una fracción del precio …”

    Considerando a nivel modular, este componente es un amplificador de CC (entrada de CC, salida de CC), ¿qué valor tiene el aumento de ancho de banda en esta aplicación? DC, por definición, no tiene una banda que “ensanchar” …

    • Lucas dice:

      Un gran ancho de banda en un amplificador de CC significa reaccionar rápidamente a un cambio de tono en la entrada.

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