权威运放应用专家陈永真的运算放大器讲座之二

运算放大器来源于电子线路，与电子技术的发展息息相关。

运算放大器是每位电子工程师必须研习的对象，为了给工程师们提供优质的电子工程知识，电源网有幸邀请国内权威运算放大器应用专家陈永真为大家讲授运算放大器的相关知识。陈永真，辽宁工业大学教授，长期从事电力电子技术的教学、科研工作。他所研制的“铁路客车荧光灯逆变器”唯一通过铁道部标准“TB/T2219-81”的全部测试，参加 过“十五”期间的国家“863”计划电动汽车重大专项“解放牌混合动力城市客车用超级电容器”项目，并出版电容和通用集成电路等相关领域的专著。下面请大家认真听陈永真教授的精彩课程吧！

2.1 真空管运算放大器

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”。这是在1940年，并贯穿第二次世界大战全过程。

2.1.1真空管差分对放大器

1938年，J.F.Toennies提出了真空管差分对放大器：

（a）阴极耦合差分对    

（b）阴极耦合长尾差分对

从图中我们会看到这两个电路图跟我们现在的电子技术基础教材中的晶体管差分放大器多么相像！也说明我们现在所学到的电子技术基础的理论早在70多年前就已经诞生！

2.1.2 Karl D. Swartzels 运算放大器

1941年：贝尔实验室的 Karl D. Swartzel Jr. 发明了真空管组成的第一个运算放大器，并取得美国专利 2,401,779，名为“Summing Amplifier”（加算放大器），在第二次世界大战时，该设计大量用于军用火炮导向装置中；

Karl D. Swartzels 运算放大器

      Karl D. Swartzels 运算放大器元件参数

Karl D. Swartzels 运算放大器的开环增益为6万倍（95dB），可以驱动6kΩ负载，电源电压±350V。

尽管Karl D.Swartzels 运算放大器获得专利，但是还是不那么理想，主要是开环增益不高。因此，除了Karl D. Swartzels 运算放大器外，还有增益更高的真空管运算放大器：

2.1.3贝尔实验室的M9真空管运算放大器

贝尔实验室的M9真空管运算放大器（1952年）：

贝尔实验室的M9真空管运算放大器

M9真空管运算放大器的开关直流电压增益为30 000 000（150dB），M9真空管运算放大器是一款仅有反相输入端的真空管运算放大器，这时还没有同相输入端的真空管运算放大器。

2.1.4带有同相输入端的真空管运算放大器的问世：

1956年，GAP/R推出的K2-W真空管放大器开始具有同相输入端。K2-W采用了两只双三极管12AX7，第一个12AX7构成前级为差分放大器，第二个12AX7的一个三极管为共阴极放大电路，后一个三极管为阴极输出电路，以增强带负载能力。K2-W真空管运算放大器最大的优点是把整个电路安装在一个标准八角真空管的管座上，在当时应用起来极其简单。电路和实物如图：

K2-W真空管运算放大器

K2-W真空管运算放大器的开环增益为15000倍。

贝尔实验室也于1956年推出了全差分真空管运算放大器。如图：

全差分放大器的真空管运算放大器“Micro Gee”

“Micro Gee”的开环增益为10000倍，可驱动25kΩ负载。

2.2 为什么还要真空管运算放大器构成的模拟计算机？

21实际的今天，一提到计算机，人们马上想到的是数字计算机。这样就会产生疑问，当年为什么要用模拟计算机而不用数字计算机呢？

我们知道数字计算机的发展日新月异。回到十五年前，微型电脑的CPU还处在奔腾年代，那个年代的电脑在近日已经被嗤之以鼻，没人再用。回到十年前，也就是迅驰年代，IBM的R51现在谁还在用？肯定寥寥无几。

那么，回到35年前，没有windos操作系统，只有dos，国内也没有“个人电脑—PC机”，要想用早期苹果电脑解微分方程有多难！有多慢！在当时或更早的年代里，由于模拟计算机相对于数字计算机具有的实时性、快速性的特点模拟计算机解微分方程远远快于当时的数字计算机，这就是当年模拟计算机的魅力所在，也是真空管运算放大器的魅力所在。

2.3 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。

真因为如此，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。