运算放大器之二黄金时代

  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。布莱克自己无决这个问题,他转而向同事哈利·奈奎斯特(HarryNyquist)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KarlD.SwartzelJr.设计了第一款商用的真空管运放——加。

  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的形式成为世界上第一种通用集成电。1963年,仙童半导体的BobWidlar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。

  这款运放的开环增益只有大约1000倍,输入只有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。

  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的出现,并逐步替代了模拟电。