《你好，放大器》之一：放大器簡史

為什么會有《你好，放大器》這個專欄：

我們相信電子工程師們遇到了一個最好的時代，電子技術(shù)和信息爆炸一樣正在飛速奔跑，然而就像那句廣告語一樣，“一路向前，有時會丟了真實的自己，幸好，那份 真實，回頭依然存在。”沒錯，這個專欄就是想在大家向前奔跑的時候，能在偶爾停歇時回過頭來看看來路，記住放大器這種技術(shù)的足跡。

我們會以連載的形式，和大家一起追溯放大器的前塵往事，講述技術(shù)演進的歷史，探求未來發(fā)展的可能，沉淀出一種放大器的文化。如果能讓您在讀后頷首道一句“哦”“原來如此”，我們便得償所愿了。

《你好，放大器》專欄之一：放大器簡史
常規(guī)放大器的困惑與思考

運算放大器來源于電子線路，與電子技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。

發(fā)明了白熾燈的美國發(fā)明家愛迪生于1881年的一個偶然事件中發(fā)現(xiàn)熾熱的燈絲能夠發(fā)射電子，殘留在白熾燈中的一個金屬與外電路、燈絲構(gòu)成的回路中形成電流，這成為后來的真空二極管的基礎(chǔ)。

到了1904年，J.A.Fleming發(fā)明了真正的真空二極管，利用真空二極管的單向?qū)щ娦赃M行管檢波、整流，構(gòu)成電子技術(shù)的最基礎(chǔ)的功能。

在科學(xué)理論的支持下，人們認識到，在真空二極管的陰極、陽極之間設(shè)置一個柵欄就可以控制真空管的陽極電流。于是在1906年，Lee De Forest發(fā)明了真空三極管，自此開創(chuàng)了電子技術(shù)時代。

當時的電子技術(shù)稱為無線電技術(shù)，原因很簡單，這就是當時的電子技術(shù)幾乎完全用于無線電發(fā)射與接收。

為了把所接收到的微弱電磁波信號或電信號變成可以接受的水平，必須將微弱的電信號進行放大。由真空管構(gòu)成的放大電路實現(xiàn)了這一功能。

與此同時無線電技術(shù)也是電子技術(shù)的理論得到發(fā)展與進步。電子技術(shù)開始向無線電技術(shù)以外的領(lǐng)域發(fā)展。在這個過程中，人們發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)的電容器耦合的放大器存在著這樣、那樣的問題，正如Bruce Carter等所著的《運算放大器權(quán)威指南》（已由人民郵電出版社引進出版）中1.1節(jié)所說的：

“增益的初始容差很差，但這個問題只要調(diào)節(jié)一下就很快解決了。其次，即使放大器在工廠里調(diào)整好之后，它的增益在現(xiàn)場使用中仍然會有非常大的漂移，或者使音量太低，或者使語音失真。

希望能做出一個穩(wěn)定的放大器，但電話線路經(jīng)受的溫度變化和極端的電源電壓，產(chǎn)生了無法控制的增益漂移。無源元件的漂移要比有源元件好很多，因此，放大器的增益若能取決于無源元件，這個問題就可以解決。”

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解決問題的思路是：

“解決方法的第一步是做出這樣一個放大器，它的增益要大于實際使用時所需的增益。然后，把放大器輸出信號中的一部分反饋到輸入端，而反饋的方式應(yīng)該使電路（這里的電路包括放大器和反饋元件）的增益取決于反饋電路，而不取決于放大器的增益。這樣，電路的增益就取決于無源的反饋元件，而與有源的放大器無關(guān)。這種被叫做負反饋的操作，是所有現(xiàn)代運放的基本工作原理。哈瑞是在輪渡上論證了這第一個有意研發(fā)的反饋電路。我可以肯定地說，在那之前也曾經(jīng)有人在不經(jīng)意間做過反饋電路，但那些設(shè)計者都沒有在意負反饋的作用！”

這樣做會怎樣呢？

“那個時代的管理者和放大器設(shè)計者的大聲抱怨。我想象他們會這樣說，‘達到30kHz的增益帶寬（GBW）已經(jīng)夠難的了，可是那個傻瓜卻要我設(shè)計一個3MHz GBW的放大器。他最后得到的仍然只能是一個30kHz GBW的電路。’是的，時間已經(jīng)證明哈瑞是對的，不過，有一個小問題哈瑞還沒有詳細討論，即振蕩的問題。設(shè)計成具有很大開環(huán)增益的電路，在環(huán)路閉合時有時會振蕩。許多人對這個不穩(wěn)定現(xiàn)象進行過研究，而且在20世紀40年代已經(jīng)對這個現(xiàn)象有了相當好的了解，但對穩(wěn)定性問題的求解則依然是一個漫長的、枯燥的和精細的計算過程。幾年過去后，仍然沒有人能使這個方法變得簡單一些，或者變得容易理解一些。”

關(guān)于振蕩問題實際上就是今天電子技術(shù)基礎(chǔ)中的負反饋可能引起的自激振蕩現(xiàn)象，在今天似乎已經(jīng)是很簡單的問題，也可以通過比較間接的方法解決，這得益于自動控制理論和利用伯德圖分析放大器在閉環(huán)狀態(tài)下的穩(wěn)定性。

這在當年情況又是怎樣呢？

“1945年，H. W. 伯德（Bode）提出了一個用圖示法進行反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的方法。在那以前，反饋分析都是用乘法和除法進行的，所以傳遞函數(shù)的計算是一項費時費力的任務(wù)。我們應(yīng)該知道，工程師們只是到了20世紀70年代才開始用上電子計算器和計算機的。伯德提出的是一種對數(shù)技術(shù)，它把計算反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性的繁復(fù)的數(shù)學(xué)過程，變成了一個簡單的和容易理解的圖示分析法。雖然這樣做之后的反饋系統(tǒng)的設(shè)計仍很復(fù)雜，但已經(jīng)不再是一種被少數(shù)電氣工程師所占有而藏到小黑屋里的藝術(shù)了。任何一名電氣工程師都可以使用伯德的方法找出反饋電路的穩(wěn)定性，于是，把反饋用于機器的時代從此開始。至于對電子系統(tǒng)反饋設(shè)計的要求，那是在進入計算機和傳感器時代以后的事情了。”

接下來就是運算放大器的誕生：

“第一臺實時計算機是模擬計算機！這種計算機依靠了事先編排好的程序和輸入數(shù)據(jù)計算出控制行為。編程是用硬連（hardwired）的方法實現(xiàn)的，也就是利用“排題版”用連接線將相關(guān)電路連接起來，然后對數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)計算。由于這種硬連方法的限制，最終導(dǎo)致了模擬計算機地位的日趨衰落。模擬計算機的核心是一種叫做運算放大器的設(shè)備，它可以通過改變連線而對輸入信號進行許多數(shù)學(xué)運算，包括加、減、乘、除、積分和微分。它的名字后來被簡稱為大家所熟悉的運放，我們都知道而且喜歡這個名字。運放中使用了一個有很大開環(huán)增益的放大器，當環(huán)路閉合時，放大器就開始執(zhí)行由外部無源元件所確定的數(shù)學(xué)運算。這種放大器的體積很大，因為是用真空管制作的，而且還需要高壓電源。但由于它是模擬計算機的核心部件，所以為了完成工作，人們還是接受了它的大體積和大功率的要求。早期的運放是為模擬計算機而設(shè)計的，但人們很快發(fā)現(xiàn)，運放還可以有其他的用途，于是它就成為了物理實驗室中的常用工具。

這個時候，通用模擬計算機已經(jīng)進入到大學(xué)和大公司的實驗室，這些計算機對于完成研究工作是必不可少的。當時的實驗室工作還同時提出了對傳感器進行信號調(diào)整的要求，運放也就此進入到了信號調(diào)整的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著信號調(diào)整應(yīng)用領(lǐng)域的擴展，對運放的需求開始超過了模擬計算機的需求。后來模擬計算機讓位給了數(shù)字計算機，但運放由于在一般模擬應(yīng)用中的重要性而生存了下來。最終，數(shù)字計算機取代了模擬計算機（對實時測量是個悲哀），但運放的需求卻隨著測量應(yīng)用的增長而得以繼續(xù)增長。”

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進入運算放大器時代
真空管運算放大器

“第一個用于信號調(diào)整的運放是在晶體管引入之前用真空管構(gòu)造的，所以這些運放又大又笨重。到了20世紀50年代，人們利用較低電源電壓工作的小型真空管制造出 了小體積的運放，它的體積縮小到了像建房時使用的磚頭那樣的大小，所以運放模塊又被別稱為磚頭。隨著真空管體積和元件體積的不斷縮小，運放最后縮小到了一 個八腳真空管那樣的大小。

K2-W型運放是第一批商品化的運放，是由George A. Philbrick研究所銷售的。這種運放由兩個真空管組成，依靠±300V的電源工作！如果這還不足以使今天的模擬設(shè)計者感到退縮的話，那么它的全差分 特性就一定會。與我們較為熟悉的單端運放不同，一個全差分運放有兩個輸出，一個為同相輸出，另一個為反相輸出。設(shè)計者需要閉合的不是一條通路，而是兩條反 饋通路。先別害怕，這兩個反饋通路只需要兩套完全一樣的元件，所以還不是一種全新的設(shè)計方法。今天的全差分運放如日中天，因為它們是驅(qū)動全差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）輸入電路的理想元件。今天的全差分運放還被用來驅(qū)動差分信號，比如DSL和平衡的600Ω音頻電路。我們完全可以說，運放從誕生之初到現(xiàn)在已經(jīng) 走過了整整一周。”

接下來是晶體管運算放大器

“晶體管是在20世紀60年代進入商業(yè)性開發(fā)的，這使運放的體積進一步縮小到了只有幾立方英寸，但磚頭的別名依然被沿用。不過，今天的磚頭是指那些采用封裝化 合物（potting compound）或非集成電路（non-IC）封裝方法的電子模塊。早期的大多數(shù)運放是為專門應(yīng)用制造的，因而就沒有必要做成通用的，各個制造商都有不 同的規(guī)范和封裝。所以，初期的運放幾乎都沒有第二供貨商。”

到了IC時代

“IC（集 成電路）是在20世紀50年代末和60年代初開始發(fā)展起來的，但一直到20世紀60年代中期仙童公司發(fā)布了μA709之后才開始投入使用。這是第一個商業(yè) 上成功的IC運放，是由Robert J. Widler設(shè)計的。μA709有它自己的一些問題，但任何稱職的模擬工程師都能夠使用，而且被用于許多模擬應(yīng)用。μA709的主要缺點是穩(wěn)定性問題，它 需要外部補償，因而需要有能力的模擬工程師來使用。此外，μA709也過于敏感，在任何不利條件下，它都有自毀的習(xí)慣。自毀的現(xiàn)象非常普遍，當時的一家主 要軍品設(shè)備制造商曾特地為此發(fā)表過一篇文章，它的題目好像是"μA709的12個珍珠港條件"。

μA709的遺產(chǎn)延續(xù)到了今天，但這是一份負面的遺產(chǎn)。如果使用得不正確，μA709就不工作，這主要是因為它的外部補償。今天的工程師甚至不知道這個器件，但對不穩(wěn)定性的記憶依然遺留到了今天：由于錯誤使用所引起的問題，未補償?shù)姆糯笃鳜F(xiàn)在幾乎賣不出去。穩(wěn)定性依然是今天運放設(shè)計中理解得最少的一個問題，也是運放最容易出錯的地方。即使那些有多年模擬設(shè)計經(jīng)驗的工程師們，對此的看法也不統(tǒng)一。但是，聰明的工程師會仔細閱讀運放的數(shù)據(jù)手冊，使運放工作在不低于規(guī)范中指定的增益值。這一點似乎與直覺相反，但是，運放在規(guī)定的最低增益下是最不穩(wěn)定的。后面的章節(jié)將對這一現(xiàn)象進行深入討論。

μA741是在μA709之后出現(xiàn)的，這是一個有內(nèi)部補償?shù)倪\放，如果工作在數(shù)據(jù)手冊指定的條件下，就不需要外部補償，而且要比μA709好用得多。

μA741的遺產(chǎn)要比μA709正面得多。事實上，741這個元件編號已經(jīng)刻在了每一位電子工程師的記憶里，這就像2N2222的晶體管和1N4148的二極管。這通常也是工程師們考慮運放時第一個想到的元件編號。與μA709不同的是，只要不出大錯，μA741總是會工作的，這就是幾代工程師喜愛它的原因。它需 要±15V的電源，因此就出現(xiàn)了數(shù)百種能產(chǎn)生這些電壓的電源器件，這個情況就像是由TTL邏輯提出+5V的要求以及由RS232串行口提出±12V的要求 那樣。在過去許多年里，投放市場的每一個運放都使用了與μA741相同的±15V電源。即使到了今天，當要求很寬的動態(tài)范圍和很好耐用性的時 候，μA741依然是一個極佳的選擇。

自從μA741問世以來，每年都有新的運放推出，延續(xù)著一個永無止境的運放系列，而性能和可靠性的不斷改進已使今天的運放可以被任何人使用于模擬電路。

IC 運放已經(jīng)矗立在那里了，最新一代的運放覆蓋了從極低功耗器件的5kHz GBW到超過3GHz GBW的頻率范圍。電源的范圍從確保工作的0.9V到絕對最大額定電壓的1000V。輸入電流和輸入失調(diào)電壓已經(jīng)下降到非常小，因而使客戶在進行進貨檢驗 時難以測試。運放已經(jīng)變成了真正通用的模擬IC，它可以完成所有的模擬任務(wù)。它可以用做線路驅(qū)動器、放大器、電平移位器、振蕩器、濾波器、信號調(diào)整器、執(zhí)行器的驅(qū)動器、電流源、電壓源，而且還有其他許多應(yīng)用。今天的設(shè)計者所面臨的問題是，如何快速正確地選擇電路與運放的組合，以及如何計算出無源元件的數(shù)值，以使設(shè)計的電路實現(xiàn)所需的傳遞函數(shù)。

應(yīng)該說明的是，沒有任何一種運放是萬能的。一個可以理想地用做傳感器接口的運放，當用于RF時根本就不工作。一個有優(yōu)良RF性能的運放，也許有非常糟糕的DC指標。由各制造商提供的所有數(shù)百種型號的運放，都是以 略微不同的方式進行優(yōu)化的，所以，設(shè)計者的任務(wù)是在這數(shù)百種器件中找出少數(shù)幾個適合具體應(yīng)用的運放。本書敘述了一種完成這一選擇的設(shè)計方法，至少可以用于信號鏈應(yīng)用中的運放選擇。

運放將繼續(xù)成為模擬設(shè)計中一個不可或缺的元件，因為它是一個非?；镜脑?。每一代電子設(shè)備都會把更多的功能集成到硅片上，同時也把更多的模擬電路做入IC中。我們不必擔(dān)心，隨著數(shù)字電路應(yīng)用的增加，模擬電路的應(yīng)用也會增加， 因為主要的數(shù)據(jù)來源和接口應(yīng)用都在現(xiàn)實世界，而現(xiàn)實世界是一個模擬的世界。因此，每一代新的電子設(shè)備都會對模擬電路提出新的需求，因而也就需要新一代的運放來滿足這些需求。模擬設(shè)計和運放設(shè)計是一種將延續(xù)到遙遠未來的基本技能。”

下一講，我們來重走放大器的旅程，從真空管放大器開始

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系列之二： 真空管運算放大器的年代

摘要：1930年及后來的30年間，美國貝爾實驗室利用負反饋技術(shù)來改善放大器的性能。這導(dǎo)致了真空管運算放大器的問世，即應(yīng)用真空管負反饋放大器構(gòu)成通用的“運算放大器”……

系列之三：真空管運放的終結(jié)者—晶體管運算放大器

摘要：真空管運算放大器不僅體積大，而且功耗也很大，如M9型真空管運算放大器的最后一級的6L6陽極耗散功率約19W，加上燈絲耗電約6W，6L6上面的損耗可以達到20W以上，正因為如此，一旦有了體積小、耗電低的可替代產(chǎn)品，真空管運算放大器必將壽終正寢。導(dǎo)致真空管運算放大器壽終正寢的的是晶體管和晶體管運算放大器……

系列之四：IC時代來了，1.0版的集成運算放大器

摘要：真正讓運算放大器從陽春白雪，變?yōu)榇蟊娋梢詰?yīng)用的基本電子器件得益于通用型集成運算放大器的大量生產(chǎn)……

系列之五：2.0版的集成運放，有源負載替代了集電極電阻

摘要：1967年：美國國家半導(dǎo)體公司推出 LM101，改善了許多重要問題，使集成電路運算放大器開始流行……

系列之六：那些技高一籌的集成運算放大器（1）

摘要：如果是特殊應(yīng)用，通用型集成運算放大器的性能就顯得不夠，需要選用特殊性能的集成運算放大器……

系列之七：那些技高一籌的集成運放（2）

摘要：書接上回，還有很多特殊性能的集成運算放大器以及新型集成運算放大器來滿足不同應(yīng)用的特殊需求……

系列之八：集成運放的理論挑戰(zhàn)—深度負反饋惹的禍

摘要：電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中，往往是說負反饋的優(yōu)點多，負反饋的缺點卻很少提及，頂多就是深度負反饋可能會引起自激振蕩。那么在實際應(yīng)用中應(yīng)用集成運算放大器受到了哪方面的電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中所學(xué)的理論的挑戰(zhàn)……

系列之九：為什么還是要集成運放—性能，性能

摘要：前面講了集成運算放大器和深度負反饋引入的優(yōu)缺點。似乎集成運算放大器并沒有什么優(yōu)勢，深度負反饋后也不是那么的理想。然而，在實際應(yīng)用中，根據(jù)實際應(yīng)用，恰當選擇集成運算放大器和負反饋，集成運算放大器還是極具優(yōu)勢的，這是不容置疑的，除非集成運算放大器和負反饋選擇不恰當。那么集成運算放大器都具有哪些優(yōu)勢呢……

系列之十：集成運放的優(yōu)勢—模擬之母

摘要：集成運算放大器可以完成“所有的”模擬電路功能，不管是線性的還是非線性的電路，只要是能想到的幾乎都能實現(xiàn)……

系列之十一：集成運放還有哪些好處？

摘要：在三類城市，集成運算放大器可以以0.8元的零售價買到四運算放大器（LM324），而小信號雙極型晶體管的零售價至少要0.2元，電阻的單價也要0.02~0.03元，電容器的單價也要0.1元或更高。這樣就可以看到前文曾提到的分立元件構(gòu)成的電路沒有競爭力……