Но автоматизация не давалась легко. Народ предполагал, что будут применяться схемы на реле, но я сразу настроил всех на применение электроники — я подразумевал применение цифровых схем, хотя поначалу этого и не озвучивал. Но конструктора и энтузиасты начали двигаться в сторону аналоговых схем на лампах — а кроме реле ничего другого в конце сорок первого и не было. Но там все было непросто. Ведь каскады усиления, к которым все привыкли, могли усиливать только сигналы начиная с какой-то частоты, тогда как сигналы в автоматических системах управления могут иметь очень небольшие частоты — вплоть до сотых долей герца. И для обычных усилителей такие частоты были недоступны — случайные изменения эмиссии электронов, анодного тока, внешние наводки и прочие флуктуации как правило отличаются от частот усиливаемых сигналов, поэтому их сложно принять за полезный сигнал — их просто отсекали межкаскадными связями. Если же сам полезный сигнал изменяется гораздо медленнее, как в управлении технологическими процессами, то, чтобы не принять за полезный сигнал все эти "довески", вносимые электронными компонентами, приходится добавлять схемы для их компенсации. К тому же в обычных усилителях связь между каскадами организуется с помощью конденсаторов или трансформаторов, что позволяет избежать попадания положительного потенциала анода предыдущего каскада на сетку следующего, которой требуется отрицательное напряжение смещения относительно катода. И чем ниже частота, тем выше сопротивление таких межкаскадных разделителей. То есть для усилителей сверхнизких частот нужен другой способ разделения каскадов — они должны и пропускать низкие частоты вплоть до нуля, и одновременно обеспечивать отрицательный потенциал сетки. Другими словами, связь должна быть гальванической, то есть непосредственно через провода — например, включить в анодную нагрузку два сопротивления и питать сетку следующего каскада со средней точки. Так у нас появились схемы, которые мы назвали усилителями постоянного тока за их способность работать с сигналами очень низкой частоты, вплоть до нуля герц. Высокие частоты они тоже усиливали, но не это было их главной задачей. А впоследствии, когда мы наконец осознали, что эти усилители выполняют различные математические операции, мы назвали их операционными усилителями.
В отличие от обычных усилителей, в операционных было задействовано больше электронных и пассивных компонентов. Но на первом этапе главным словом для операционных усилителей было даже не "схемотехника", главным словом было "стабильность". Стабильность нужна и в работе самих ламп, и в резисторах-конденсаторах, и в источниках питания. Так, если для радиосвязи можно применять и "свежие" лампы, то для ОУ их надо было искусственно состаривать чуть ли не сто часов, чтобы их нутро пришло в стабильное состояние — чтобы стекло и арматура выделили бы остаточные газы, а геттер принял бы их, чтобы катод впитал ионы, что образуются из остаточных газов при столкновениях с электронами, а его покрытие наконец-то доупорядочило бы свою структуру и начало эмитировать электроны пусть и неравномерно по площади, но равномерно по общему потоку. В общем, надо было, чтобы лампа повзрослела и стала зрелой, опытной, "понюхавшей электронов". Резисторы тоже требовались с минимальными отклонениями от номинала — вскоре почти все резисторы с отклонениями менее процента шли только на операционные усилители. С конденсаторами была та же проблема.
Так что вопросы стабильности компонентов и схемотехнические вопросы мы решали параллельно. И ламп, и резисторов, требовалось в общем-то немало. Вначале наши ОУ представляли собой простой усилитель тока с обратной связью, требовавший всего одну лампу и пяток резисторов, но постепенно, по мере накопления опыта, схема разрасталась, так что к лету сорок третьего на один стандартный операционник требовалось уже минимум шесть ламп — по две на каждый каскад. Все из-за того, что каждый каскад усилителя выполнял свои функции.
Первый каскад выполнялся по последовательной балансной схеме, предназначенной для компенсации так называемого дрейфа нуля, когда напряжение изменяется даже при отсутствии сигнала. Дрейф происходит по разным причинам — случайное изменение эмиссии катода ламп, флуктуаций сопротивления резисторов из-за изменений температуры, пусть даже небольших, из-за изменений анодного питания по причине отклонений источника питания от своего номинального напряжения, как бы он не был стабилизирован. Собственно балансная схема являлась обычным мостом, в двух противоположных плечах которого были включены электронные лампы, и в последовательной схеме лампы включаются параллельно питающей диагонали моста. Соответственно, сама по себе мостовая схема позволяла выявлять малейшие отклонения от нуля, а наличие активных элементов — компенсировать это отклонение. Балансовые схемы и потребовались, чтобы снизить требования к стабильности питания и температурным режимам — с ними допустимы отклонения до одного процента.
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.