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《电子技术史话》
运算放大器之二——黄金时代
佳语奇文   
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布莱克发明了运算放大器(以下简称“运放”)之后,经过不断的改进,放大器的性能不断提高,但是一个问题一直困扰着人们。在开环增益增加到一定程度后,有些运算放大器会工作不正常,甚至发生振荡而无法使用。布莱克自己无法解决这个问题,他转而向同事哈利·奈奎斯特(Harry Nyquist)请教。

奈奎斯特经过研究,发现是放大器固有的附加相移使反馈发生了变化。因为放大器本身的电容作用,使输出信号和输入信号产生了一定的相位差,而这个相位差随着频率的增大会逐渐增大,以至于达到180度,即输出信号与输入信号反相。此时放大器在这个频率点上由负反馈变成了正反馈,如果此时放大器具有大于1的增益,就会发生振荡。

当然这是后来简化的说法,当时的奈奎斯特判据依据复数运算,使用起来极为复杂不便。后来在1940年,H.w.伯德(Bode)引入了半对数坐标系,把复数运算变为代数运算,大大简化了频率特性的绘制。1942年,H.哈里斯(Harris)在拉普拉斯变换的基础上,引入了传递函数的概念,从此运算放大器的稳定性分析和补偿方法开始成熟。

布莱克利用奈奎斯特的方法,在运放中采用了电容补偿,于1934年发表了论文和专利。1941年,贝尔实验室的Karl D. Swartzel Jr.设计了第一款商用的真空管运放——加法器。

Summing Amplifier

早期的运放采用真空管作为放大元件,需要高电压驱动,体积也很大。因此当时的运放又被称作Brick(砖)。这个名字现在仍然在欧美的电子工程师中使用。随着晶体管的发明,人们希望用晶体管来制作运放,这样能显著减少体积。但是半导体行业的飞速发展,瞬间就跳过了这一阶段。随着1958年集成电路的发明,以及1959年硅平面工艺的出现,运算放大器率先以集成电路的形式成为世界上第一种通用集成电路。1963年,仙童半导体的Bob Widlar设计了世界是第一款集成运放——μA-702,1965年纪经过改进后,改进版命名为μA-709。

μA-702

这款运放的开环增益只有大约1000倍,输入阻抗只有20KΩ,集成了9个晶体管。这样一个今天看起来近乎简陋的芯片,当时的售价高达300美元。而1963年的美国人均收入才2500美元。也就是说,一个普通美国人一年的工资也就够买8颗运放。

1968年5月,仙童半导体推出了有史以来最成功的运算放大器,也是生命周期最长寿芯片——μA-741。这个型号直到50年后的今天仍然在生产使用。

μA-741

不过模拟芯片普遍长寿,在现在CPU每2年就彻底淘汰一代的时代,我们常用的很多运放型号还都是上个世纪70年代的型号。不过这也从侧面说明了,模拟电子的时代马上就要结束了。如果说运算放大器的发明带来了模拟技术的黄金时代的话,几乎在同一时间,布尔代数的出现,则敲响了数字时代的大门。而后者经过40年的发展,在上个世纪八十年代初,推动了大规模集成电路的出现,并逐步替代了模拟电路。


CA3130: 1970年由美国无线电公司制造 
LM324: 1974年由美国国家半导体公司制造 
LF355: 1975年由美国国家半导体制造 
TL084: 1976年由德州仪器公司制造


+

-完-
我要评论
理性边界 2018-01-25 20:54
大学的时候,电子学的最差,如果当时有这种深入浅出,加入很多故事的科普作为参考书就好了!
佳语奇文 2018-01-17 20:55
喜欢的同学,可以移步作者的个人网站和微信公众号,不定期继续更新中(*^__^*) 个人网站:www.jyqw.xyz 微信公众号:佳语奇文
科普作品
电子技术史话
| 目录  (共12章)
评委点评 评语汇总

图文并茂的一篇科普文章,把电子技术的前世今生都讲了一遍。如果不限制字数,我相信作者可以继续写到现在的量子计算机。作者在使用生活化的语言讲述电子元器件发展的过程中,也讲述了几位对电子学做出杰出贡献的科学家,内容丰富饱满,是一篇不错的科普文章。

2018-01-24 16:15 匿名 ——

作者将电子的技术发明、创新,科学的发现,新技术的应用,创业、产业的发展,代表性人物的关键性贡献等方面内容用十分生动的笔触很有条理地串在一起、融为一体,读来兴趣盎然,不忍释卷,本文是一篇难得的有趣有知有味的科普佳作。更难得的是作为90后的作者,还非常谦虚,可贺更可喜!建议:适当减少溯源性的插述,以使主线更清晰,让读者一口气读下去。插述多了,读者就会走神。也建议多修改,彻底消灭错别字。

2018-01-28 11:42 匿名 ——

很不错的一篇科学史,图文并茂,通俗易懂。

2018-02-05 21:04 匿名 ——

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