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《你好,放大器》之三:真空管运放的终结者—晶体管运算放大器

2013/09/16
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晶体管运算放大器成为真空管运算放大器的终结者


真空管运算放大器不仅体积大,而且功耗也很大,如M9型真空管运算放大器的最后一级的6L6阳极耗散功率约19W,加上灯丝耗电约6W,6L6上面的损耗可以达到20W以上,其他的真空管损耗也要达到近10W,这样,真空管运算放大器损耗最低也要20W.这相对于今天的100mW级的集成运算放大器来说简直难以想象。


不仅如此,真空管运算放大器还要有灯丝变压器高压变压器整流滤波电路、甚至还要真空管交流稳压电源等庞大、笨重的辅助设备。


正因为如此,一旦有了体积小、耗电低的可替代产品,真空管运算放大器必将寿终正寝。导致真空管运算放大器寿终正寝的的是晶体管和晶体管运算放大器。


晶体管运算放大器
晶体管运算放大器的问世


1948年肖克莱发明了晶体管,使得电子技术开始进入了晶体管时代,随着晶体管制造技术的进步,晶体管的性能不断的提高,晶体管运算放大器也变为现实。到了1960年第一个晶体管运算放大器问世,真空管运算放大器的好日子开始逐渐结束。


GAP/R推出了P65晶体管运算放大器
1960年,GAP/R推出了P65晶体管运算放大器,电路如图。
 

晶体管运算放大器“P56”(1960年)

 

电路做在约45×35mm的电路板上,很显然这个晶体管运算放大器的体积远小于真空管运算放大器;电源电压为±15V,也远低于±300V电压。


晶体管运算放大器“P56”一直沿用到1971年。


GAP/R的P45晶体管运算放大器
晶体管运算放大器“P56”的改进型“P45”电路如图:

P45晶体管与运算放大器电路

 

图中Q1、Q2 和Q3、Q4分别为晶体管差分对。

电路板如图:

晶体管运算放大器“P45”图片

 

P45晶体管运算放大器的开关电压增益为50 000倍,单位增益带宽为100MHz,1966年的售价为118$。

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GAP/R的PP65晶体管运算放大器
1962年,GAP/R将P65做成模块,即PP65晶体管运算放大器,如图:


GAP/R的PP65晶体管运算放大器模块


该模块将管脚间距定义在0.2英寸(5.08mm),这是一款仅具有7只引脚的运算放大器。


抑制温漂的运算放大器
为了减小晶体管运算放大器的直流漂移,GAP/R于1966年推出变容二极管桥(Varactor Bridge)电路的运算放大器,型号为SP2A,原理框图如图:


1966年:第一个使用变容二极管桥(Varactor Bridge)电路的运算放大器SP2A。SP2A的售价为227$。


ADI的高速、宽带晶体管运算放大器模块独领风骚
在高速、宽带运算放大器领域ADI的晶体管运算放大器模块独领风骚。


1966年,ADI推出121模块,这是一款宽带直流运算放大器,具有25 000倍(88dB)开环电压增益和250V/μs的输出电压摆动速率。尽管这时集成运算放大器已经问世3年,但是具有如此高的电压摆动速率,那时的集成运算放大器还无能为力。


ADI的121模块1968年的售价为98$。


ADI的121模块电路如图:
 

ADI的121模块电路

 

ADI的121模块的另一个特点是具有调零功能,这在P45、P65中是不具备的。


JFET输入级的晶体管运算放大器
双极型晶体管做为输入级的晶体管运算放大器的输入阻抗很低,要想提高输入阻抗最好的办法就是选用场效应晶体管做为输入级,1970年,ADI推出JFET输入级的45、44和48的JFET输入级的晶体管运算放大器,电路如图:


44和48的JFET输入级的晶体管运算放大器电路


精确到0.01%的建立时间为500ns,输出电压摆动速率为100V/μs。


晶体管运算放大器的薄膜化
树脂封装的晶体管运算放大器模块在一些应用中受到限制,如军品、宇航产品等,需要一种可以满足上述要求的晶体管运算放大器,采用晶体管芯片电阻裸片、电容裸片直接装配在陶瓷基板上将大大的减小电路的体积,提高电路的可靠性。ADI的HOS-50高速混合集成运算放大器电路。电路如图:


ADI的HOS-50高速混合集成运算放大器电路

管壳尺寸如图:


 ADI的HOS-50高速混合集成运算放大器

 

ADI的HOS-50高速混合集成运算放大器具有100MHz带宽和精确到0.01%的建立时间为200ns。


将薄膜电路中的各元件集成到一个芯片中!
ADI的HOS-50高速混合集成运算放大器居集成运算放大器仅有一步之遥。


试想要是把晶体管运算放大器的所有元件都集成在一个硅片中,不就成为集成运算放大器了吗!


当时的电子工程师还真的就那么想的。于是集成运算放大器闪亮登场,晶体管运算放大器的历史宣告结束。
 

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系列之一:放大器简史

摘要:运算放大器来源于电子线路,与电子技术的发展息息相关。1904年,J.A.Fleming发明了真正的真空二极管,1906年,Lee De Forest发明了真空三极管,自此开创了电子技术时代。K2-W型运放是第一批商品化的运放……

系列之二: 真空管运算放大器的年代

摘要:1930年及后来的30年间,美国贝尔实验室利用负反馈技术来改善放大器的性能。这导致了真空管运算放大器的问世,即应用真空管负反馈放大器构成通用的“运算放大器”……

系列之四:IC时代来了,1.0版的集成运算放大器

摘要:真正让运算放大器从阳春白雪,变为大众均可以应用的基本电子器件得益于通用型集成运算放大器的大量生产……

系列之五:2.0版的集成运放,有源负载替代了集电极电阻

摘要:1967年:美国国家半导体公司推出 LM101,改善了许多重要问题,使集成电路运算放大器开始流行……

系列之六:那些技高一筹的集成运算放大器(1)

摘要:如果是特殊应用,通用型集成运算放大器的性能就显得不够,需要选用特殊性能的集成运算放大器……

系列之七:那些技高一筹的集成运放(2)

摘要:书接上回,还有很多特殊性能的集成运算放大器以及新型集成运算放大器来满足不同应用的特殊需求……

系列之八:集成运放的理论挑战—深度负反馈惹的祸

摘要:电子技术基础课程中,往往是说负反馈的优点多,负反馈的缺点却很少提及,顶多就是深度负反馈可能会引起自激振荡。那么在实际应用中应用集成运算放大器受到了哪方面的电子技术基础课程中所学的理论的挑战……

系列之九:为什么还是要集成运放—性能,性能

摘要:前面讲了集成运算放大器和深度负反馈引入的优缺点。似乎集成运算放大器并没有什么优势,深度负反馈后也不是那么的理想。然而,在实际应用中,根据实际应用,恰当选择集成运算放大器和负反馈,集成运算放大器还是极具优势的,这是不容置疑的,除非集成运算放大器和负反馈选择不恰当。那么集成运算放大器都具有哪些优势呢……

系列之十:集成运放的优势—模拟之母

摘要:集成运算放大器可以完成“所有的”模拟电路功能,不管是线性的还是非线性的电路,只要是能想到的几乎都能实现……

系列之十一:集成运放还有哪些好处?

摘要:在三类城市,集成运算放大器可以以0.8元的零售价买到四运算放大器(LM324),而小信号双极型晶体管的零售价至少要0.2元,电阻的单价也要0.02~0.03元,电容器的单价也要0.1元或更高。这样就可以看到前文曾提到的分立元件构成的电路没有竞争力……

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电子产业图谱

辽宁工业大学教授,中国电源学会常务理事、编辑工作委员会主任,中国电工技术学会电力电子学会名誉理事。参加国家“863”计划,电动汽车重大专项“解放票混合动力城市客车用超级电容器”项目。主要研究方向包括各类电容器及其应用、电力半导体器件应用、高效率开关电源、高效率电子镇流器与高效能电子照明。已出版专著《电容器手册》、《高效率开关电源设计与制作》《高频电子镇流器设计与制作》等15部。