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《你好,放大器》之三:真空管運(yùn)放的終結(jié)者—晶體管運(yùn)算放大器

2013/09/16
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晶體管運(yùn)算放大器成為真空管運(yùn)算放大器的終結(jié)者


真空管運(yùn)算放大器不僅體積大,而且功耗也很大,如M9型真空管運(yùn)算放大器的最后一級(jí)的6L6陽(yáng)極耗散功率約19W,加上燈絲耗電約6W,6L6上面的損耗可以達(dá)到20W以上,其他的真空管損耗也要達(dá)到近10W,這樣,真空管運(yùn)算放大器損耗最低也要20W.這相對(duì)于今天的100mW級(jí)的集成運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直難以想象。


不僅如此,真空管運(yùn)算放大器還要有燈絲變壓器、高壓變壓器整流濾波電路、甚至還要真空管交流穩(wěn)壓電源等龐大、笨重的輔助設(shè)備。


正因?yàn)槿绱耍坏┯辛梭w積小、耗電低的可替代產(chǎn)品,真空管運(yùn)算放大器必將壽終正寢。導(dǎo)致真空管運(yùn)算放大器壽終正寢的的是晶體管和晶體管運(yùn)算放大器。


晶體管運(yùn)算放大器
晶體管運(yùn)算放大器的問(wèn)世


1948年肖克萊發(fā)明了晶體管,使得電子技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入了晶體管時(shí)代,隨著晶體管制造技術(shù)的進(jìn)步,晶體管的性能不斷的提高,晶體管運(yùn)算放大器也變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。到了1960年第一個(gè)晶體管運(yùn)算放大器問(wèn)世,真空管運(yùn)算放大器的好日子開(kāi)始逐漸結(jié)束。


GAP/R推出了P65晶體管運(yùn)算放大器
1960年,GAP/R推出了P65晶體管運(yùn)算放大器,電路如圖。
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晶體管運(yùn)算放大器“P56”(1960年)

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電路做在約45×35mm的電路板上,很顯然這個(gè)晶體管運(yùn)算放大器的體積遠(yuǎn)小于真空管運(yùn)算放大器;電源電壓為±15V,也遠(yuǎn)低于±300V電壓。


晶體管運(yùn)算放大器“P56”一直沿用到1971年。


GAP/R的P45晶體管運(yùn)算放大器
晶體管運(yùn)算放大器“P56”的改進(jìn)型“P45”電路如圖:

P45晶體管與運(yùn)算放大器電路

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圖中Q1、Q2 和Q3、Q4分別為晶體管差分對(duì)。

電路板如圖:

晶體管運(yùn)算放大器“P45”圖片

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P45晶體管運(yùn)算放大器的開(kāi)關(guān)電壓增益為50 000倍,單位增益帶寬為100MHz,1966年的售價(jià)為118$。

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GAP/R的PP65晶體管運(yùn)算放大器
1962年,GAP/R將P65做成模塊,即PP65晶體管運(yùn)算放大器,如圖:


GAP/R的PP65晶體管運(yùn)算放大器模塊


該模塊將管腳間距定義在0.2英寸(5.08mm),這是一款僅具有7只引腳的運(yùn)算放大器。


抑制溫漂的運(yùn)算放大器
為了減小晶體管運(yùn)算放大器的直流漂移,GAP/R于1966年推出變?nèi)荻O管橋(Varactor Bridge)電路的運(yùn)算放大器,型號(hào)為SP2A,原理框圖如圖:


1966年:第一個(gè)使用變?nèi)荻O管橋(Varactor Bridge)電路的運(yùn)算放大器SP2A。SP2A的售價(jià)為227$。


ADI的高速、寬帶晶體管運(yùn)算放大器模塊獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷
在高速、寬帶運(yùn)算放大器領(lǐng)域ADI的晶體管運(yùn)算放大器模塊獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。


1966年,ADI推出121模塊,這是一款寬帶直流運(yùn)算放大器,具有25 000倍(88dB)開(kāi)環(huán)電壓增益和250V/μs的輸出電壓擺動(dòng)速率。盡管這時(shí)集成運(yùn)算放大器已經(jīng)問(wèn)世3年,但是具有如此高的電壓擺動(dòng)速率,那時(shí)的集成運(yùn)算放大器還無(wú)能為力。


ADI的121模塊1968年的售價(jià)為98$。


ADI的121模塊電路如圖:
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ADI的121模塊電路

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ADI的121模塊的另一個(gè)特點(diǎn)是具有調(diào)零功能,這在P45、P65中是不具備的。


JFET輸入級(jí)的晶體管運(yùn)算放大器
雙極型晶體管做為輸入級(jí)的晶體管運(yùn)算放大器的輸入阻抗很低,要想提高輸入阻抗最好的辦法就是選用場(chǎng)效應(yīng)晶體管做為輸入級(jí),1970年,ADI推出JFET輸入級(jí)的45、44和48的JFET輸入級(jí)的晶體管運(yùn)算放大器,電路如圖:


44和48的JFET輸入級(jí)的晶體管運(yùn)算放大器電路


精確到0.01%的建立時(shí)間為500ns,輸出電壓擺動(dòng)速率為100V/μs。


晶體管運(yùn)算放大器的薄膜化
樹(shù)脂封裝的晶體管運(yùn)算放大器模塊在一些應(yīng)用中受到限制,如軍品、宇航產(chǎn)品等,需要一種可以滿(mǎn)足上述要求的晶體管運(yùn)算放大器,采用晶體管芯片、電阻裸片、電容裸片直接裝配在陶瓷基板上將大大的減小電路的體積,提高電路的可靠性。ADI的HOS-50高速混合集成運(yùn)算放大器電路。電路如圖:


ADI的HOS-50高速混合集成運(yùn)算放大器電路

管殼尺寸如圖:


?ADI的HOS-50高速混合集成運(yùn)算放大器

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ADI的HOS-50高速混合集成運(yùn)算放大器具有100MHz帶寬和精確到0.01%的建立時(shí)間為200ns。


將薄膜電路中的各元件集成到一個(gè)芯片中!
ADI的HOS-50高速混合集成運(yùn)算放大器居集成運(yùn)算放大器僅有一步之遙。


試想要是把晶體管運(yùn)算放大器的所有元件都集成在一個(gè)硅片中,不就成為集成運(yùn)算放大器了嗎!


當(dāng)時(shí)的電子工程師還真的就那么想的。于是集成運(yùn)算放大器閃亮登場(chǎng),晶體管運(yùn)算放大器的歷史宣告結(jié)束。
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與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容,未經(jīng)許可,不得轉(zhuǎn)載

系列之一:放大器簡(jiǎn)史

摘要:運(yùn)算放大器來(lái)源于電子線路,與電子技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。1904年,J.A.Fleming發(fā)明了真正的真空二極管,1906年,Lee De Forest發(fā)明了真空三極管,自此開(kāi)創(chuàng)了電子技術(shù)時(shí)代。K2-W型運(yùn)放是第一批商品化的運(yùn)放……

系列之二: 真空管運(yùn)算放大器的年代

摘要:1930年及后來(lái)的30年間,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室利用負(fù)反饋技術(shù)來(lái)改善放大器的性能。這導(dǎo)致了真空管運(yùn)算放大器的問(wèn)世,即應(yīng)用真空管負(fù)反饋放大器構(gòu)成通用的“運(yùn)算放大器”……

系列之四:IC時(shí)代來(lái)了,1.0版的集成運(yùn)算放大器

摘要:真正讓運(yùn)算放大器從陽(yáng)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(yùn)算放大器的大量生產(chǎn)……

系列之五:2.0版的集成運(yùn)放,有源負(fù)載替代了集電極電阻

摘要:1967年:美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出 LM101,改善了許多重要問(wèn)題,使集成電路運(yùn)算放大器開(kāi)始流行……

系列之六:那些技高一籌的集成運(yùn)算放大器(1)

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

系列之七:那些技高一籌的集成運(yùn)放(2)

摘要:書(shū)接上回,還有很多特殊性能的集成運(yùn)算放大器以及新型集成運(yùn)算放大器來(lái)滿(mǎn)足不同應(yīng)用的特殊需求……

系列之八:集成運(yùn)放的理論挑戰(zhàn)—深度負(fù)反饋惹的禍

摘要:電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中,往往是說(shuō)負(fù)反饋的優(yōu)點(diǎn)多,負(fù)反饋的缺點(diǎn)卻很少提及,頂多就是深度負(fù)反饋可能會(huì)引起自激振蕩。那么在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用集成運(yùn)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(yùn)放—性能,性能

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

系列之十:集成運(yùn)放的優(yōu)勢(shì)—模擬之母

摘要:集成運(yùn)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(shí)現(xiàn)……

系列之十一:集成運(yùn)放還有哪些好處?

摘要:在三類(lèi)城市,集成運(yùn)算放大器可以以0.8元的零售價(jià)買(mǎi)到四運(yùn)算放大器(LM324),而小信號(hào)雙極型晶體管的零售價(jià)至少要0.2元,電阻的單價(jià)也要0.02~0.03元,電容器的單價(jià)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(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力……

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電子產(chǎn)業(yè)圖譜

遼寧工業(yè)大學(xué)教授,中國(guó)電源學(xué)會(huì)常務(wù)理事、編輯工作委員會(huì)主任,中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)名譽(yù)理事。參加國(guó)家“863”計(jì)劃,電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項(xiàng)“解放票混合動(dòng)力城市客車(chē)用超級(jí)電容器”項(xiàng)目。主要研究方向包括各類(lèi)電容器及其應(yīng)用、電力半導(dǎo)體器件應(yīng)用、高效率開(kāi)關(guān)電源、高效率電子鎮(zhèn)流器與高效能電子照明。已出版專(zhuān)著《電容器手冊(cè)》、《高效率開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作》《高頻電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)與制作》等15部。