差點(diǎn)打敗晶體管的一種放大器

差點(diǎn)打敗晶體管的一種放大器

來(lái)源：內(nèi)容由半導(dǎo)體行業(yè)觀(guān)察（ID：icbank）編譯自IEEE，謝謝。

在第二次世界大戰(zhàn)期間，德國(guó)軍方開(kāi)發(fā)了一些在當(dāng)時(shí)看來(lái)是非常復(fù)雜的技術(shù)，包括用來(lái)對(duì)倫敦造成破壞的V-2 火箭。然而，V-2 以及許多其他德國(guó)軍事硬件都依賴(lài)于一種你可能從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)的晦澀且看似陳舊的組件，稱(chēng)為磁放大器或磁放大器。

一位消息人士稱(chēng)，在美國(guó)，磁放大器長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為是過(guò)時(shí)的——“太慢、太笨重、效率太低，無(wú)法認(rèn)真對(duì)待”。因此，那個(gè)時(shí)代的美國(guó)軍事電子專(zhuān)家對(duì)德國(guó)廣泛使用這種設(shè)備感到困惑，他們最初是從審訊德國(guó)戰(zhàn)俘中了解到的。第三帝國(guó)的工程師們知道了什么是美國(guó)人沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的？

戰(zhàn)后，美國(guó)情報(bào)人員在德國(guó)搜尋有用的科技信息。400 名專(zhuān)家篩選了數(shù)十億頁(yè)文件，并將 350 萬(wàn)頁(yè)縮微膠卷連同近 200 噸德國(guó)工業(yè)設(shè)備運(yùn)回美國(guó)。在海量的信息和設(shè)備中，隱藏著德國(guó)磁放大器的秘密：使這些設(shè)備緊湊、高效和可靠的金屬合金。

美國(guó)工程師很快就能夠復(fù)制這些合金。結(jié)果，在 1950 年代和 60 年代看到了磁放大器的復(fù)興，在此期間它們被廣泛用于軍事、航空航天和其他行業(yè)。在完全讓位于晶體管之前，它們甚至出現(xiàn)在一些早期的固態(tài)數(shù)字計(jì)算機(jī)中。如今，這段歷史幾乎被遺忘了。所以在這里我將提供鮮為人知的磁放大器故事。

根據(jù)定義，放大器 是一種允許小信號(hào)控制大信號(hào)的設(shè)備。老式的三極真空管使用施加到其柵極的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)?，F(xiàn)代場(chǎng)效應(yīng)晶體管使用施加到其柵極的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。mag amp 練習(xí)電磁控制。

磁放大器用于多種應(yīng)用，包括德國(guó)軍方在二戰(zhàn)期間使用的臭名昭著的 V-2 火箭 [上] 和 1956 年完成的 Magstec 計(jì)算機(jī) [中]。英國(guó) Elliot 803 計(jì)算機(jī)1961 [底部] 使用了相關(guān)的核心晶體管邏輯。 

要了解它是如何工作的，首先考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的電感器，比如繞在鐵棒上的電線(xiàn)。這種電感器往往會(huì)阻止交流電流通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)。這是因?yàn)楫?dāng)電流流動(dòng)時(shí)，線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，集中在鐵棒中。并且這種變化的磁場(chǎng)會(huì)在電線(xiàn)中感應(yīng)出電壓，這些電壓會(huì)阻止最初產(chǎn)生磁場(chǎng)的交流電。

如果這樣的電感器承載大量電流，則棒會(huì)達(dá)到一種稱(chēng)為飽和的狀態(tài)，從而鐵不會(huì)變得比它已經(jīng)被磁化的程度更高。發(fā)生這種情況時(shí)，電流幾乎不受阻礙地通過(guò)線(xiàn)圈。飽和通常是不可取的，但磁放大器利用了這種效應(yīng)。

從物理上講，磁放大器是圍繞一個(gè)容易飽和的金屬材料核心構(gòu)建的，通常是一個(gè)環(huán)或方形環(huán)，周?chē)幸桓娋€(xiàn)。也纏繞在鐵芯周?chē)牡诙鶎?dǎo)線(xiàn)形成控制繞組?？刂评@組包括多匝導(dǎo)線(xiàn)，因此通過(guò)通過(guò)相對(duì)較小的直流電流，可以迫使鐵芯進(jìn)入或退出飽和狀態(tài)。

因此，磁放大器的行為就像一個(gè)開(kāi)關(guān)：當(dāng)飽和時(shí)，它讓主繞組中的交流電流暢通無(wú)阻地通過(guò)；當(dāng)不飽和時(shí)，它會(huì)阻止該電流。發(fā)生放大是因?yàn)橄鄬?duì)較小的直流控制電流可以修改大得多的交流負(fù)載電流。

磁放大器的歷史始于 1901 年在美國(guó)申請(qǐng)的一些專(zhuān)利。到 1916 年，大型磁放大器被用于跨大西洋無(wú)線(xiàn)電電話(huà)，這是通過(guò)一項(xiàng)稱(chēng)為 亞歷山大森交流發(fā)電機(jī)的發(fā)明來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該發(fā)明產(chǎn)生了一種大功率、高無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器的頻率交流電。一個(gè)磁放大器根據(jù)要傳輸?shù)恼Z(yǔ)音信號(hào)的強(qiáng)度 調(diào)制發(fā)射器的輸出。

在 1920 年代，真空管的改進(jìn)使得 Alexanderson 交流發(fā)電機(jī)和磁放大器的組合過(guò)時(shí)。這使得磁放大器只能發(fā)揮次要作用，例如劇院中的調(diào)光器。

德國(guó)后來(lái)在磁放大器方面的成功很大程度上取決于先進(jìn)磁性合金的發(fā)展。由這些材料制成的磁放大器可在開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)之間快速切換，從而提供更好的控制和效率。然而，這些材料對(duì)雜質(zhì)、晶體尺寸和方向的變化，甚至機(jī)械應(yīng)力都非常敏感。所以他們需要一個(gè)嚴(yán)格的制造過(guò)程。

1943 年開(kāi)發(fā)的性能最佳的德國(guó)材料被稱(chēng)為 Permenorm 5000-Z。它是一種極純的 50/50 鎳鐵合金，在部分真空下熔化。然后將金屬冷軋成紙一樣薄，并纏繞在非磁性形式上。結(jié)果類(lèi)似于一卷膠帶，膠帶由薄薄的 Permenorm 金屬構(gòu)成。卷繞后，模塊在氫氣中在 1,100 °C 下退火 2 小時(shí)，然后快速冷卻。這一過(guò)程使金屬晶體定向，使其表現(xiàn)得像一個(gè)具有均勻特性的大晶體。只有在完成此操作后，才能將電線(xiàn)纏繞在核心上。

到 1948 年，位于馬里蘭州的美國(guó)海軍軍械實(shí)驗(yàn)室 的科學(xué)家們 已經(jīng)找到了制造這種合金的方法，該合金很快被一家名為 Arnold Engineering Co. 的公司以 Deltamax 的名義銷(xiāo)售。這種磁性材料在美國(guó)的出現(xiàn)重新激發(fā)了人們對(duì)磁性放大器的熱情，它可以承受極端條件并且不會(huì)像真空管那樣燒壞。因此，磁放大器在苛刻的環(huán)境中找到了許多應(yīng)用，特別是軍事、太空和工業(yè)控制。

在 1950 年代，美國(guó)軍方在自動(dòng)駕駛儀、火控設(shè)備、伺服系統(tǒng)、雷達(dá)和聲納設(shè)備、 RIM-2 Terrier 地對(duì)空導(dǎo)彈和許多其他角色中使用磁放大器。

1951 年的一份海軍訓(xùn)練手冊(cè)詳細(xì)解釋了磁放大器——盡管對(duì)他們的歷史持防御態(tài)度：“許多工程師認(rèn)為是德國(guó)人發(fā)明了磁放大器；實(shí)際上它是美國(guó)的發(fā)明。德國(guó)人只是拿走了我們比較簡(jiǎn)陋的設(shè)備，提高了效率和響應(yīng)時(shí)間，減輕了重量和體積，擴(kuò)大了它的應(yīng)用領(lǐng)域，然后還給了我們?！?/p>

由于磁放大器的可靠性，美國(guó)太空計(jì)劃也廣泛使用了磁放大器。例如，1961 年將艾倫·謝潑德送入太空的 紅石火箭使用了磁放大器。在 1960 年代和 70 年代的阿波羅登月任務(wù)中，磁放大器控制電源和風(fēng)扇。那個(gè)時(shí)代的衛(wèi)星使用磁放大器進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)、電流感應(yīng)和限制以及遙測(cè)。甚至航天飛機(jī)也使用磁放大器來(lái)調(diào)暗熒光燈。

磁放大器也用于紅石火箭，就像這里展示的宇航員約翰·格倫、維吉爾·格里森和艾倫·謝潑德后面的那個(gè)。

磁放大器在工業(yè)控制和自動(dòng)化領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，許多包含它們的產(chǎn)品都以通用電氣的 Amplistat、CGS 實(shí)驗(yàn)室的Increductor、西屋的Cypak（控制論封裝）和Librascope的 Unidec（通用決策元件）等品牌銷(xiāo)售.

然而，二戰(zhàn)期間德國(guó)開(kāi)發(fā)的磁性材料對(duì)計(jì)算機(jī)行業(yè)產(chǎn)生了戰(zhàn)后最大的影響。在 1940 年代后期，研究人員立即認(rèn)識(shí)到新磁性材料存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力。圓形磁芯可以逆時(shí)針或順時(shí)針磁化，存儲(chǔ) 0 或 1。具有所謂的矩形磁滯回線(xiàn)可確保材料在斷電后保持在這些狀態(tài)之一的固態(tài)磁化。

研究人員很快就從密集的磁芯網(wǎng)格中構(gòu)建了所謂的核心存儲(chǔ)器。這些技術(shù)人員很快就從使用纏繞金屬磁芯轉(zhuǎn)向使用鐵氧體制成的磁芯，鐵氧體是一種含有氧化鐵的陶瓷材料。到 1960 年代中期，隨著制造成本下降到每個(gè)磁芯不到 1 美分，鐵氧體磁芯被淘汰。

但核心存儲(chǔ)器并不是磁性材料對(duì)早期數(shù)字計(jì)算機(jī)產(chǎn)生影響的唯一地方。從 1940 年代開(kāi)始，這些機(jī)器的第一代使用真空管進(jìn)行計(jì)算。這些在 1950 年代后期被基于晶體管的第二代計(jì)算機(jī)取代，隨后是由集成電路構(gòu)建的第三代計(jì)算機(jī)。

但事實(shí)上，計(jì)算方面的技術(shù)進(jìn)步并不是這樣線(xiàn)性的。早期的晶體管并不是一個(gè)明顯的贏(yíng)家，并且開(kāi)發(fā)了許多其他替代品。磁放大器是幾代人之間被遺忘的幾種計(jì)算技術(shù)之一。

這是因?yàn)?1950 年代初的研究人員意識(shí)到磁芯不僅可以保存數(shù)據(jù)，還可以執(zhí)行邏輯功能。通過(guò)在磁芯周?chē)胖枚鄠€(gè)繞組，可以組合輸入。例如，相反方向的繞組可能會(huì)抑制其他輸入。復(fù)雜的邏輯電路可以通過(guò)以各種方式將這些核心連接在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)。

磁放大器如何放大

磁放大器利用了這樣一個(gè)事實(shí)，即在感應(yīng)線(xiàn)圈的鐵芯中存在可磁化材料[tan]會(huì)增加其阻抗。通過(guò)從線(xiàn)圈中物理取出磁性材料來(lái)減少磁性材料的影響會(huì)降低其阻抗，從而允許更多的電力流向交流負(fù)載。

可磁化材料的影響，這里采用環(huán)形磁芯 [tan] 的形式，可以通過(guò)使用第二個(gè)線(xiàn)圈 [環(huán)形磁芯左側(cè)] 施加直流偏置來(lái)改變。施加足以迫使材料進(jìn)入飽和狀態(tài)的直流偏置電流——在這種狀態(tài)下，它不能變得更加磁化——在功能上等同于從線(xiàn)圈中去除材料，從而允許更多的電力流向交流負(fù)載。

更現(xiàn)實(shí)的電路將包括兩個(gè)反向纏繞的交流線(xiàn)圈，以避免在控制繞組中感應(yīng)電流。它還包括二極管，此處顯示為橋式配置，允許電路控制直流負(fù)載。反饋線(xiàn)圈[未顯示]可用于增加放大。

1956 年， Sperry Rand 公司開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為Ferractor的高速磁放大器，能夠以幾兆赫茲的頻率運(yùn)行。每個(gè) Ferractor 都是通過(guò)在 0.1 英寸（2.5 毫米）非磁性不銹鋼線(xiàn)軸上纏繞十多圈八分之一密爾（約 3 微米）坡莫合金帶制成的。

Ferractor 的性能是由于這種膠帶非常薄以及線(xiàn)軸的微小尺寸。Sperry Rand 在名為 Univac Magnetic Computer 的軍用計(jì)算機(jī)中使用了 Ferractor，該計(jì)算機(jī)也被稱(chēng)為空軍劍橋研究中心 (AFCRC) 計(jì)算機(jī)。這臺(tái)機(jī)器包含 1,500 個(gè) Ferractors 和 9,000 個(gè)鍺二極管，以及一些晶體管和真空管。

Sperry Rand 后來(lái)基于 AFCRC 計(jì)算機(jī)創(chuàng)建了商用計(jì)算機(jī)：Univac Solid State（在歐洲稱(chēng)為 Univac Calculating Tabulator），隨后是較便宜的 STEP（簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換電子處理）計(jì)算機(jī)。盡管 Univac Solid State 并沒(méi)有完全辜負(fù)它的名字——它的處理器使用了 20 個(gè)真空管——但它的受歡迎程度適中，僅售出數(shù)百個(gè)。

Sperry Rand 的另一個(gè)部門(mén)制造了一臺(tái)名為 Bogart的計(jì)算機(jī)，以幫助美國(guó)國(guó)家安全局進(jìn)行密碼破譯。

這臺(tái)相對(duì)較小的計(jì)算機(jī)之所以得名，是因?yàn)樗诩用軘?shù)據(jù)被 NSA 的大型計(jì)算機(jī)處理之前對(duì)其進(jìn)行了編輯。

1957 年至 1959 年間，五臺(tái) Bogart 計(jì)算機(jī)被交付給 NSA。它們采用了由Seymour Cray 設(shè)計(jì)的新型磁放大器電路 ，后者后來(lái)創(chuàng)造了著名的 Cray 超級(jí)計(jì)算機(jī)。據(jù)報(bào)道，在他的數(shù)十項(xiàng)專(zhuān)利中，克雷最自豪的是他的磁放大器設(shè)計(jì)。

然而，基于磁放大器的計(jì)算機(jī)并不總是那么好用。例如，在 1950 年代初期，瑞典億萬(wàn)富翁實(shí)業(yè)家 Axel Wenner-Gren創(chuàng)建了一系列真空管計(jì)算機(jī)，稱(chēng)為 ALWAC（Axel L. Wenner-Gren 自動(dòng)計(jì)算機(jī)）。1956 年，他告訴美國(guó)聯(lián)邦儲(chǔ)備委員會(huì)，他可以在 15 個(gè)月內(nèi)交付磁放大器版本 ALWAC 800。在美國(guó)聯(lián)邦儲(chǔ)備委員會(huì)支付 231,800 美元后，計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)遇到了工程困難，項(xiàng)目以徹底失敗告終。

當(dāng)然，1950 年代晶體管的進(jìn)步導(dǎo)致了使用磁放大器的計(jì)算機(jī)的衰落。但有一段時(shí)間，尚不清楚哪種技術(shù)更優(yōu)越。例如，在 1950 年代中期，Sperry Rand 正在為Athena的磁放大器和晶體管進(jìn)行辯論 ，這是一臺(tái)用于控制泰坦核導(dǎo)彈的 24 位計(jì)算機(jī). Cray 制造了兩臺(tái)等效的計(jì)算機(jī)來(lái)直接比較這些技術(shù)：Magstec（磁性開(kāi)關(guān)測(cè)試計(jì)算機(jī)）使用磁放大器，而 Transtec（晶體管測(cè)試計(jì)算機(jī)）使用晶體管。盡管 Magstec 的性能稍好一些，但晶體管顯然是未來(lái)的潮流。因此，Sperry Rand 用晶體管制造了 Univac Athena 計(jì)算機(jī)，將磁放大器降級(jí)為計(jì)算機(jī)電源內(nèi)部的次要功能。

在歐洲，晶體管也在與磁放大器展開(kāi)較量。例如，英國(guó)Ferranti的工程師為他們的計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)了磁放大器電路。但他們發(fā)現(xiàn)晶體管可以提供更可靠的放大，因此他們將磁放大器替換為與晶體管結(jié)合使用的變壓器。他們將此電路稱(chēng)為神經(jīng)元，因?yàn)槿绻斎氤^(guò)閾值，它就會(huì)產(chǎn)生輸出，類(lèi)似于生物神經(jīng)元。神經(jīng)元成為 Ferranti 的 Sirius 和 Orion 商用計(jì)算機(jī)的核心。

另一個(gè)例子是 1958 年的波蘭 EMAL-2 計(jì)算機(jī)，它使用磁芯邏輯和 100 個(gè)真空管。這臺(tái) 34 位計(jì)算機(jī)是波蘭第一臺(tái)真正高效的數(shù)字計(jì)算機(jī)。它結(jié)構(gòu)緊湊但速度慢，每秒只執(zhí)行 150 次左右的操作。

而在蘇聯(lián)，1954 年的 15 位LEM-1 計(jì)算機(jī)使用了 3,000 個(gè)鐵氧體邏輯元件（以及 16,000 個(gè)硒二極管）。它每秒可以執(zhí)行 1,200 次加法。

在法國(guó)，磁放大器用于 CAB 500（Calculatrice Arithmétique Binaire 500），于 1960 年出售給一家名為 Société d'Electronique et d'Automatisme (SEA) 的公司用于科學(xué)和技術(shù)用途。這臺(tái) 32 位桌面大小的計(jì)算機(jī)使用稱(chēng)為 Symmag 的磁性邏輯元件，以及晶體管和真空管電源。除了使用 Fortran、Algol 或 SEA 自己的語(yǔ)言 PAF（Programmation Automatique des Formules）進(jìn)行編程外，CAB 500 還可用作桌面計(jì)算器。

這個(gè)時(shí)代的一些計(jì)算機(jī)使用具有復(fù)雜形狀的多孔徑核心來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯功能。1959 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為 Laddic的梯形磁性元件，它通過(guò)在不同的“梯級(jí)”周?chē)l(fā)送信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯功能。該裝置后來(lái)被用于一些核反應(yīng)堆安全系統(tǒng)。

沿著這些思路的另一種方法是稱(chēng)為 Biax 邏輯元件的東西- 一個(gè)沿兩個(gè)軸有孔的鐵氧體立方體。另一個(gè)被稱(chēng)為transfluxor，它有兩個(gè)圓形開(kāi)口。大約在 1961 年，斯坦福研究所的工程師使用這種多孔徑磁性設(shè)備為美國(guó)空軍制造了全磁性邏輯計(jì)算機(jī)。道格·恩格爾巴特（ Doug Engelbart）以發(fā)明鼠標(biāo)和大部分現(xiàn)代計(jì)算機(jī)用戶(hù)界面而聞名，他是這臺(tái)計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵工程師。

當(dāng)時(shí)的一些計(jì)算機(jī)將晶體管與磁芯結(jié)合使用。這個(gè)想法是盡量減少當(dāng)時(shí)昂貴的晶體管的數(shù)量。這種稱(chēng)為核心晶體管邏輯 (CTL) 的方法被用于英國(guó) Elliott 803計(jì)算機(jī)，這是一個(gè) 1959 年推出的小型系統(tǒng)，具有不同尋常的 39 位字長(zhǎng)。1960 年的Burroughs D210磁性計(jì)算機(jī)是一款僅重 35 磅（約 16 公斤）的緊湊型計(jì)算機(jī)，專(zhuān)為航空航天應(yīng)用而設(shè)計(jì)，也使用核心晶體管邏輯。

這張來(lái)自 1966 年 IBM System/360 [頂部] 的板顯示了機(jī)器的一些磁芯存儲(chǔ)器，它使用了小的鐵氧體環(huán)，電線(xiàn)穿過(guò)這些鐵氧體環(huán) [底部]。

核心晶體管邏輯在空間應(yīng)用中特別受歡迎。一家名為 Di/An Controls 的公司生產(chǎn)了一系列邏輯電路，并聲稱(chēng)“大多數(shù)太空飛行器都裝有它們”。該公司的 Pico-Bit 是一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的核心晶體管邏輯產(chǎn)品，在 1964 年被宣傳為“你在太空中最好的比特”。美國(guó)宇航局阿波羅制導(dǎo)計(jì)算機(jī)的早期原型是 用核心晶體管邏輯構(gòu)建的，但 1962 年，麻省理工學(xué)院的設(shè)計(jì)師冒險(xiǎn)轉(zhuǎn)向集成電路。

甚至一些“完全晶體管化”的計(jì)算機(jī)也到處使用磁放大器。1958 年的 MIT TX-2使用它們來(lái)控制其磁帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而1959 年推出的IBM 7090和 1964 年推出的流行的 IBM?System/360大型機(jī)使用磁放大器來(lái)調(diào)節(jié)其電源。Control Data Corp. 1960 年的160 小型計(jì)算機(jī)在其控制臺(tái)打字機(jī)中使用了磁放大器。磁放大器對(duì)于 1960 年的Univac LARC超級(jí)計(jì)算機(jī)中的邏輯電路來(lái)說(shuō)太慢了，但它們被用來(lái)驅(qū)動(dòng)其核心存儲(chǔ)器。

1950 年代，美國(guó)海軍的工程師稱(chēng)磁放大器為“一顆冉冉升起的新星”和“戰(zhàn)后電子學(xué)的奇跡”之一。直到 1957 年，仍有 400 多名工程師參加了關(guān)于磁放大器的會(huì)議。但在 1960 年代晶體管和其他半導(dǎo)體接管時(shí)，對(duì)這些設(shè)備的興趣穩(wěn)步下降。

然而，在每個(gè)人都認(rèn)為這些設(shè)備注定要成為歷史的塵埃很久之后，磁放大器找到了新的應(yīng)用。在 1990 年代中期，個(gè)人計(jì)算機(jī)的 ATX標(biāo)準(zhǔn)需要一個(gè)經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)節(jié)的 3.3 伏電源。事實(shí)證明，磁放大器是控制該電壓的一種廉價(jià)而有效的方法，使磁放大器成為大多數(shù) PC 電源的關(guān)鍵部分。和以前一樣，磁放大器的復(fù)興并沒(méi)有持續(xù)多久：DC-DC 穩(wěn)壓器在很大程度上取代了現(xiàn)代電源中的磁放大器。

總而言之，磁放大器的歷史跨越了大約一個(gè)世紀(jì)，隨著它們的流行，然后多次消亡。你很難在今天生產(chǎn)的電子硬件中找到一個(gè)磁放大器，但也許一些新的應(yīng)用——可能用于量子計(jì)算或風(fēng)力渦輪機(jī)或電動(dòng)汽車(chē)——將再次為它們注入活力。

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