標題: 運放的歷史及其重要性 [打印本頁]
作者: 51hei不    時間: 2016-6-19 22:16
標題: 運放的歷史及其重要性

       運放的一點歷史，文章編譯自《op amp foreveryone》by RonMancini。
      
       1934年的某天，哈里·布萊克（Harry·Black）搭渡從他家所在的紐約到貝爾實驗室所在的新澤西去上班。渡船舒緩了他那緊張的神經(jīng)，使得他可以做一些概念性的思考。哈里有個難題要解決：當電話線延伸得很長時，信號需要放大。但放大器是如此的不可靠，使得服務質(zhì)量受到嚴重制約。首先，初始增益誤差很大，但這個問題很快就通過使用一個調(diào)節(jié)器解決了。第二，即使放大器在出廠時調(diào)節(jié)好了，但是在現(xiàn)場應用的時候，增益的大范圍漂移使得音量太低或者輸入的語音失真。
       為了制造一個穩(wěn)定的放大器，很多的方法都嘗試過了，但是變化的溫度和極差的電話線供電狀況所導致的增益漂移，一直難以克服。被動元件比主動元件有更好的漂移特性，如果放大器的增益取決于被動元件的話，問題不就解決了嗎？在這次搭渡途中，哈里構(gòu)思了這樣一個新奇的解決方法，并記錄了下來。
       這個方法首先需要制造一個增益比實際應用所需增益要大的放大器，然后將部分的輸出信號反饋到輸入端，使得電路（包括放大器和反饋元件）增益取決于反饋回路而不是放大器本身。這樣，電路增益也就取決于被動的反饋元件而不是主動的放大器，這叫做負反饋，是現(xiàn)代運算放大器的工作原理。哈里在渡船上記錄了史上第一個有意設計的反饋電路，但是我們可以肯定在這之前，有人曾無意構(gòu)建過反饋電路，只不過忽視了它的效果而已。
       起初，管理層和放大器設計者有很大的抱怨：“設計一個30-KHz增益帶寬積（GBW）的放大器已經(jīng)夠難的了，現(xiàn)在這個傻瓜想要我們設計成3-MHz的增益帶寬積，但他卻只是用來搭建一個30-KHz增益帶寬積的電路！”然而，時間證明哈里是對的。但是哈里沒有深入探討這帶來的一個次要問題——振蕩。當使用大開環(huán)增益的放大器來構(gòu)建閉環(huán)電路時，有時會振蕩。直至40年代人們才弄懂了個中原因，但是要解決這個問題需要經(jīng)過冗長繁瑣的計算，多年過去了也沒有人能想出簡單易懂的方法來。
       1945年，H.W.Bode提出了圖形化方式分析反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。此前反饋的分析是通過乘除法來完成的，傳函的計算十分費時費力，需要知道的是，直至70年代前工程師是沒有計算器和計算機的。波特使用了對數(shù)的方法將復雜的數(shù)學計算轉(zhuǎn)變成簡單直觀的圖形分析，雖然設計反饋系統(tǒng)仍然很復雜，但不再是只被“暗室”里的少數(shù)電子工程師所掌握的“藝術(shù)”了。任何電子工程師都可以使用波特圖去尋找反饋電路的穩(wěn)定性，反饋的應用也得以迅速增長。
       世界上第一臺計算機是模擬計算機！它使用預先編排的方程和輸入數(shù)據(jù)來計算輸出，因為這種“編程”是硬件連線的——搭建一系列的電路，這種局限性最終導致了模擬計算機沒能大面積應用開來。模擬計算機的心臟是一個叫做運算放大器（operational amplifier）的東西，因為它能配置成對輸入信號執(zhí)行各種數(shù)學運算，如加、減、乘、除、積分和微分等，我們簡稱它為運放（op amp）。運放是一個有很大開環(huán)增益的放大器，當接上外部的被動元件形成閉環(huán)后，運放就可以執(zhí)行各種數(shù)學運算了。當時它們是由電子管制造的，體積龐大，而且需要很高的供電電壓，只有對于某些商業(yè)應用，這樣的代價才是可以接受的。早期的運放是專門為模擬計算機設計的，但是人們很快就發(fā)現(xiàn)運放還有其他應用，而且非常的便利。
       當時，對于大學和一些大公司來說，模擬計算機是他們做研究的必備工具，除此之外，信號處理電路也用到了運放。后來，信號處理應用越來越廣泛，對運放的需求超過了模擬計算機。當模擬計算機逐漸失寵，最終被數(shù)字計算機所取代后，運放依然流傳了下來，因為它對模擬設計是如此的重要，并隨著測量傳感等應用的增長而增長。
       在晶體管時代之前，運放是由電子管制成的，體積龐大。在50年代，人們發(fā)明了低壓電子管使得其體積縮小到了磚頭大�。ㄒ簿褪沁\放的昵稱——brick的由來）。到了60年代，晶體管的發(fā)明使得體積進一步縮減到了數(shù)立方英寸。（brick的昵稱雖然被保留了下來，但主要是指那些非集成電路（Integrated Circuit）封裝的了。）因為早期的運放的應用針對性很強，不是通用器件，同時每個廠家都有自己的規(guī)格和封裝，所以，他們之間很難找到替代品。
       集成電路（IC）是在50末到60年代初發(fā)明出來的，世界上第一個商業(yè)應用成功的集成運放是快捷（Fairchild）公司在60年代中期推出的uA709，設計者是Robert J. Widler。uA709雖然存在一些問題，但并無大礙，所以它還是得到了廣泛應用。其主要缺點是不穩(wěn)定：需要外部補償；需要工程師有足夠的應用能力；非常敏感，在某些不利條件下容易損壞，有個軍用設備制造商為此還發(fā)表了一篇文章，題為《uA709的12個珍珠港條件》。uA709的下一代產(chǎn)品是uA741，它有內(nèi)部補償，如果工作在手冊規(guī)定范圍內(nèi)的話，不需要外部補償電路，而且它沒有uA709那么敏感。從此以后，一系列的運放源源不斷的被開發(fā)出來，性能和可靠性不斷地得到改善。如今，任何工程師都可以方便的使用運放來設計他們的模擬電路了。
       作為一個基礎(chǔ)元器件，運放繼續(xù)是模擬設計的關(guān)鍵�，F(xiàn)在，每一代的電子設備在晶片上集成越來越多的功能，集成越來越多的模擬電路。但不用擔心，隨著數(shù)字應用的增加，模擬應用也會相應增加的，因為它是連接真實世界的橋梁，承擔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和接口的功能�，F(xiàn)實世界是模擬的，每一代新電子設備的產(chǎn)生都對模擬電路提出了新的要求，因此，需要新一代的運放來滿足它。模擬電路的設計，運放電路的設計，在將來也是工程師必備的基本技能。                                                                                                                    




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