原创 运放的历史及其重要性

       运放的一点历史，蛮有趣的，对我们认识运放也有裨益。如果你也这样认为，那就喷点口水，欢迎留下个到此一游印记~~。文章编译自《op amp foreveryone》，Ron Mancini。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

       1934年的某天，哈里·布莱克（Harry·Black）搭渡从他家所在的纽约到贝尔实验室所在的新泽西去上班。渡船舒缓了他那紧张的神经，使得他可以做一些概念性的思考。哈里有个难题要解决：当电话线延伸得很长时，信号需要放大。但放大器是如此的不可靠，使得服务质量受到严重制约。首先，初始增益误差很大，但这个问题很快就通过使用一个调节器解决了。第二，即使放大器在出厂时调节好了，但是在现场应用的时候，增益的大范围漂移使得音量太低或者输入的语音失真。

       为了制造一个稳定的放大器，很多的方法都尝试过了，但是变化的温度和极差的电话线供电状况所导致的增益漂移，一直难以克服。被动元件比主动元件有更好的漂移特性，如果放大器的增益取决于被动元件的话，问题不就解决了吗？在这次搭渡途中，哈里构思了这样一个新奇的解决方法，并记录了下来。

       这个方法首先需要制造一个增益比实际应用所需增益要大的放大器，然后将部分的输出信号反馈到输入端，使得电路（包括放大器和反馈元件）增益取决于反馈回路而不是放大器本身。这样，电路增益也就取决于被动的反馈元件而不是主动的放大器，这叫做负反馈，是现代运算放大器的工作原理。哈里在渡船上记录了史上第一个有意设计的反馈电路，但是我们可以肯定在这之前，有人曾无意构建过反馈电路，只不过忽视了它的效果而已。

       起初，管理层和放大器设计者有很大的抱怨：“设计一个30-KHz增益带宽积（GBW）的放大器已经够难的了，现在这个傻瓜想要我们设计成3-MHz的增益带宽积，但他却只是用来搭建一个30-KHz增益带宽积的电路！”然而，时间证明哈里是对的。但是哈里没有深入探讨这带来的一个次要问题——振荡。当使用大开环增益的放大器来构建闭环电路时，有时会振荡。直至40年代人们才弄懂了个中原因，但是要解决这个问题需要经过冗长繁琐的计算，多年过去了也没有人能想出简单易懂的方法来。

       1945年，H.W.Bode提出了图形化方式分析反馈系统稳定性的方法。此前反馈的分析是通过乘除法来完成的，传函的计算十分费时费力，需要知道的是，直至70年代前工程师是没有计算器和计算机的。波特使用了对数的方法将复杂的数学计算转变成简单直观的图形分析，虽然设计反馈系统仍然很复杂，但不再是只被“暗室”里的少数电子工程师所掌握的“艺术”了。任何电子工程师都可以使用波特图去寻找反馈电路的稳定性，反馈的应用也得以迅速增长。

       世界上第一台计算机是模拟计算机！它使用预先编排的方程和输入数据来计算输出，因为这种“编程”是硬件连线的——搭建一系列的电路，这种局限性最终导致了模拟计算机没能大面积应用开来。模拟计算机的心脏是一个叫做运算放大器（operational amplifier）的东西，因为它能配置成对输入信号执行各种数学运算，如加、减、乘、除、积分和微分等，我们简称它为运放（op amp）。运放是一个有很大开环增益的放大器，当接上外部的被动元件形成闭环后，运放就可以执行各种数学运算了。当时它们是由电子管制造的，体积庞大，而且需要很高的供电电压，只有对于某些商业应用，这样的代价才是可以接受的。早期的运放是专门为模拟计算机设计的，但是人们很快就发现运放还有其他应用，而且非常的便利。

       当时，对于大学和一些大公司来说，模拟计算机是他们做研究的必备工具，除此之外，信号处理电路也用到了运放。后来，信号处理应用越来越广泛，对运放的需求超过了模拟计算机。当模拟计算机逐渐失宠，最终被数字计算机所取代后，运放依然流传了下来，因为它对模拟设计是如此的重要，并随着测量传感等应用的增长而增长。

       在晶体管时代之前，运放是由电子管制成的，体积庞大。在50年代，人们发明了低压电子管使得其体积缩小到了砖头大小（也就是运放的昵称——brick的由来）。到了60年代，晶体管的发明使得体积进一步缩减到了数立方英寸。（brick的昵称虽然被保留了下来，但主要是指那些非集成电路（Integrated Circuit）封装的了。）因为早期的运放的应用针对性很强，不是通用器件，同时每个厂家都有自己的规格和封装，所以，他们之间很难找到替代品。

       集成电路（IC）是在50末到60年代初发明出来的，世界上第一个商业应用成功的集成运放是快捷（Fairchild）公司在60年代中期推出的uA709，设计者是Robert J. Widler。uA709虽然存在一些问题，但并无大碍，所以它还是得到了广泛应用。其主要缺点是不稳定：需要外部补偿；需要工程师有足够的应用能力；非常敏感，在某些不利条件下容易损坏，有个军用设备制造商为此还发表了一篇文章，题为《uA709的12个珍珠港条件》。uA709的下一代产品是uA741，它有内部补偿，如果工作在手册规定范围内的话，不需要外部补偿电路，而且它没有uA709那么敏感。从此以后，一系列的运放源源不断的被开发出来，性能和可靠性不断地得到改善。如今，任何工程师都可以方便的使用运放来设计他们的模拟电路了。

       作为一个基础元器件，运放继续是模拟设计的关键。现在，每一代的电子设备在晶片上集成越来越多的功能，集成越来越多的模拟电路。但不用担心，随着数字应用的增加，模拟应用也会相应增加的，因为它是连接真实世界的桥梁，承担数据转换和接口的功能。现实世界是模拟的，每一代新电子设备的产生都对模拟电路提出了新的要求，因此，需要新一代的运放来满足它。模拟电路的设计，运放电路的设计，在将来也是工程师必备的基本技能。