如今世界早已進入了信息時代，我們每天都會和各種各樣的智能設備打交道。無論是PC、手機、電視機，還是智能手環、藍牙耳機，這些智能設備裡都有著計算機的身影。計算機雖然是一門獨立的學科，但是卻是因為電子科學的飛速發展，計算機的研究和應用才取得了突破。毫不誇張的說，如果說數學是計算機的父親，那麼電子學就是計算機母親。
早在人類開始使用電之前，計算機就已經出現。人們公認的第一臺真正的計算機是著名科學家帕斯卡（B.Pascal）在1642年到1644年之間發明的機械加法器。沒錯，就是壓強單位的那個帕斯卡，他首先是一名著名的數學家，然後才是物理學家。大名鼎鼎的Pascal語言，就是為了紀念帕斯卡才用Pascal命名的。
當然這是一臺非常簡陋的機器，只能計算加法，不過他卻能做到自動進位，因此人們認為它是世界是最早的計算機。在電出現之前，機械計算機即便經過不斷改進，也很快就到達了極限。1822年巴貝奇發明的差分機達到了機械計算機的巔峰，也成了最後的絕唱。不過巴貝奇的學生，拜倫的女兒阿達·拉夫拉夫斯基伯爵夫人在幫助巴貝奇研製分析機時，提出了程序設計思想，因此被譽為世界上第一位程序員。
隨著真空三極管的發明和應用，人們認識到，通過電信號的傳遞和變換來實現計算機，可以達到無與倫比的速度和精度。隨著通信電子技術進入模擬時代，模擬計算機很快出現。在大約20世界30年代的時候，模擬計算機的研製工作就已經開始了。
模擬計算機來自一種很自然的想法，就是用具體的電壓或電流值來表示一個自然界的物理量或數字，然後通過一種模塊，來對電壓進行加、減、乘法、積分、微分等計算，得到一個同樣用電壓值表示的結果。這樣我們就通過由電子元件組成的系統來對真實的世界進行建模和分析（模擬真實的系統行為）。這個模塊需要完成的功能就是依照數學運算法則來進行電壓的變換，所以它被叫做——運算放大器。
模擬計算機最早用作一些需要快速輸出結果的固定運算過程，這種運算的目的並不是要得到數學上的精確解，而是得到一個能用用於實際應用的符合精度的近似結果。在二戰期間，貝爾實驗室率先研製出M-9火炮指揮儀。二戰後，一些人以M-9中的運算放大器為基礎，於1947年研製出全電子直流模擬計算機。隨後世界各發達國家都進行了模擬計算機研究。
然而好景不長，隨著數字計算機的飛速發展，模擬計算機很快就被數字計算機所取代，退出了歷史舞臺。但是模擬計算機的核心零部件——運算放大器，不僅沒有被淘汰，反而成為了模擬電子技術的核心。毫不誇張的說，整個模擬電子技術的發展史，可以分成兩個部分，一部分是是千方百計的去應用運算放大器，另一部分就是千方百計的去改進提高運算放大器的性能。
也許大多數人想不到的是，關於運算放大器的歷史，要從瓦特開始說起。那時第一次工業革命還沒有開始，瓦特正在改良紐可門蒸汽機，這個過程是一個逐漸發展的過程，其中一個重要的里程碑就是離心調速器的發明。離心調速器是最古老的自動控制系統，它最早應用了反饋的原理，實現了對蒸汽機轉速的自動控制，開啟了近代自動控制的先河。直到今天，反饋控制的思想，不僅是自動控制技術的核心思想，也是模擬電子技術的核心思想，影響極為深遠。
請大家記住下面的原理，我們後面介紹運算放大器時要用到
離心調速器的原理，就是當蒸汽機啟動後，通過齒輪將轉動傳動到離心調速器的轉軸上，帶動連桿機構上的兩個鋼球1繞轉軸轉動，鋼球的慣性令其做離心運動，而彈簧則對兩個鋼球提供向心力。鋼球的離心運動帶動套筒2向上運動，槓桿3將套的運動傳遞到蒸汽閥門5，調節閥門的開度，而閥門的開度又調節了蒸汽進給量，調節蒸汽機轉速。在蒸汽機運轉過程中，當轉速超過設定轉速時，彈簧的彈力小於鋼球所需向心力，做離心運動，帶動蒸汽閥門，減小開度，進氣量降低，蒸汽機轉速降低。當蒸汽機轉速小於設定轉速時，彈簧彈力大於鋼球所需向心力，鋼球向轉軸靠攏，帶動蒸汽閥門增大開度，進氣量增大，蒸汽機轉速增加。從而，離心調速器通過彈簧和鋼球所需的向心力達到調節蒸汽機轉速的目的，令蒸汽機轉速始終保持在一個穩定的設定值。
現在我們回到20世紀，真空三極管的放大作用使得人們可以將微弱的信號放大，從而使弱信號的遠距離傳輸成為可能。很快，這一技術被貝爾實驗室用於電話信號的傳輸。但是有一個問題一直困擾著工程師們——放大器的增益不穩定。無論如何精心的調節電路，放大器的增益都會因為溫度、時間、或者下了一場雨等原因顯著的變化。增益過高，信號產生了失真，使音質變差；增益過低，又使信號太弱，以至於聽不清楚。AT&T的僱員們為了調節線路而疲於奔命，這個亟待解決的問題落在了29歲的哈羅德·史蒂芬·布萊克（Harold Stephen Black）的身上。
布萊克是貝爾實驗室的僱員，他家住在紐約，而貝爾實驗室當時在新澤西，所以他每天乘坐輪渡跨過哈德孫河上班。乘坐輪渡是哈瑞感到很輕鬆，讓他可以有更多的時間來思考一些概念上的東西。開環的放大器之所以增益很不穩定，是因為真空管本身有很大的非線性，並且極易受到環境的影響，而無源元件比有源器件要穩定得多，因此若放大器的增益若能取決於無源元件，這個問題就能解決。於是他參照離心調速器的原理，發明了“反饋放大器”。
反饋放大器就是利用一個增益（我們叫它“開環增益”）遠大於實際使用增益的放大器，把放大器輸出信號的一部分反饋到輸入端，反饋回來的信號要抑制輸入信號的效果。當輸出的信號太強，就使輸入信號的作用減弱，使輸出回到正常水平；而當輸出信號太弱時，又使輸入信號的作用增強，使輸出升高。於是整個反饋放大器電路的增益取決於反饋迴路，而不取決於放大器的增益。這樣，電路的增益就取決於無源的反饋元件，而與有源的放大器無關。這種方式我們叫他“負反饋”，至今仍然是運算放大器最核心的原理。
運算放大器的出現成功解決了放大器增益不穩定的問題。利用負反饋的原理，不僅能做出穩定增益的放大器，而且能利用這些放大器進行加、減、乘、除、對數、微分和積分等運算。從而使利用電信號進行數學計算成為了現實，人們可以用電子系統來模擬和預測真實的物理系統的行為。隨著二戰的爆發，這種方法很快用於火炮控制等場合，導致了模擬計算機的出現。因此，布萊克發明的“反饋放大器”後來被叫做運算放大器直到今天，而這種用電子系統來對真實世界建模的技術被成為——模擬（Analog），也沿用到了今天。
+
閱讀更多 我們愛科學 的文章
