差點打敗晶體管的一種放大器

來源：內(nèi)容由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自IEEE，謝謝。

在第二次世界大戰(zhàn)期間，德國軍方開發(fā)了一些在當時看來是非常復(fù)雜的技術(shù)，包括用來對倫敦造成破壞的V-2 火箭。然而，V-2 以及許多其他德國軍事硬件都依賴于一種你可能從未聽說過的晦澀且看似陳舊的組件，稱為磁放大器或磁放大器。

一位消息人士稱，在美國，磁放大器長期以來一直被認為是過時的——“太慢、太笨重、效率太低，無法認真對待”。因此，那個時代的美國軍事電子專家對德國廣泛使用這種設(shè)備感到困惑，他們最初是從審訊德國戰(zhàn)俘中了解到的。第三帝國的工程師們知道了什么是美國人沒有發(fā)現(xiàn)的？

戰(zhàn)后，美國情報人員在德國搜尋有用的科技信息。400 名專家篩選了數(shù)十億頁文件，并將 350 萬頁縮微膠卷連同近 200 噸德國工業(yè)設(shè)備運回美國。在海量的信息和設(shè)備中，隱藏著德國磁放大器的秘密：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)字計算機中。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 是一種允許小信號控制大信號的設(shè)備。老式的三極真空管使用施加到其柵極的電壓來實現(xiàn)這一點?，F(xiàn)代場效應(yīng)晶體管使用施加到其柵極的電壓來實現(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 計算機 [中]。英國 Elliot 803 計算機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，首先考慮一個簡單的電感器，比如繞在鐵棒上的電線。這種電感器往往會阻止交流電流通過導(dǎo)線。這是因為當電流流動時，線圈會產(chǎn)生交變磁場，集中在鐵棒中。并且這種變化的磁場會在電線中感應(yīng)出電壓，這些電壓會阻止最初產(chǎn)生磁場的交流電。

如果這樣的電感器承載大量電流，則棒會達到一種稱為飽和的狀態(tài)，從而鐵不會變得比它已經(jīng)被磁化的程度更高。發(fā)生這種情況時，電流幾乎不受阻礙地通過線圈。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容易飽和的金屬材料核心構(gòu)建的，通常是一個環(huán)或方形環(huán)，周圍有一根電線。也纏繞在鐵芯周圍的第二根導(dǎo)線形成控制繞組。控制繞組包括多匝導(dǎo)線，因此通過通過相對較小的直流電流，可以迫使鐵芯進入或退出飽和狀態(tài)。

因此，磁放大器的行為就像一個開關(guān)：當飽和時，它讓主繞組中的交流電流暢通無阻地通過；當不飽和時，它會阻止該電流。發(fā)生放大是因為相對較小的直流控制電流可以修改大得多的交流負載電流。

磁放大器的歷史始于 1901 年在美國申請的一些專利。到 1916 年，大型磁放大器被用于跨大西洋無線電電話，這是通過一項稱為 亞歷山大森交流發(fā)電機的發(fā)明來實現(xiàn)的，該發(fā)明產(chǎn)生了一種大功率、高無線電發(fā)射器的頻率交流電。一個磁放大器根據(jù)要傳輸?shù)恼Z音信號的強度 調(diào)制發(fā)射器的輸出。

在 1920 年代，真空管的改進使得 Alexanderson 交流發(fā)電機和磁放大器的組合過時。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。

德國后來在磁放大器方面的成功很大程度上取決于先進磁性合金的發(fā)展。由這些材料制成的磁放大器可在開啟和關(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，這些材料對雜質(zhì)、晶體尺寸和方向的變化，甚至機械應(yīng)力都非常敏感。所以他們需要一個嚴格的制造過程。

1943 年開發(fā)的性能最佳的德國材料被稱為 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，然后快速冷卻。這一過程使金屬晶體定向，使其表現(xiàn)得像一個具有均勻特性的大晶體。只有在完成此操作后，才能將電線纏繞在核心上。

到 1948 年，位于馬里蘭州的美國海軍軍械實驗室 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 的名義銷售。這種磁性材料在美國的出現(xiàn)重新激發(fā)了人們對磁性放大器的熱情，它可以承受極端條件并且不會像真空管那樣燒壞。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，美國軍方在自動駕駛儀、火控設(shè)備、伺服系統(tǒng)、雷達和聲納設(shè)備、 RIM-2 Terrier 地對空導(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)練手冊詳細解釋了磁放大器——盡管對他們的歷史持防御態(tài)度：“許多工程師認為是德國人發(fā)明了磁放大器；實際上它是美國的發(fā)明。德國人只是拿走了我們比較簡陋的設(shè)備，提高了效率和響應(yīng)時間，減輕了重量和體積，擴大了它的應(yīng)用領(lǐng)域，然后還給了我們。”

由于磁放大器的可靠性，美國太空計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。那個時代的衛(wèi)星使用磁放大器進行信號調(diào)節(jié)、電流感應(yīng)和限制以及遙測。甚至航天飛機也使用磁放大器來調(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。

磁放大器在工業(yè)控制和自動化領(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 實驗室的Increductor、西屋的Cypak（控制論封裝）和Librascope的 Unidec（通用決策元件）等品牌銷售.

然而，二戰(zhàn)期間德國開發(fā)的磁性材料對計算機行業(yè)產(chǎn)生了戰(zhàn)后最大的影響。在 1940 年代后期，研究人員立即認識到新磁性材料存儲數(shù)據(jù)的能力。圓形磁芯可以逆時針或順時針磁化，存儲 0 或 1。具有所謂的矩形磁滯回線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磁芯不到 1 美分，鐵氧體磁芯被淘汰。

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

但事實上，計算方面的技術(shù)進步并不是這樣線性的。早期的晶體管并不是一個明顯的贏家，并且開發(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算技術(shù)之一。

這是因為 1950 年代初的研究人員意識到磁芯不僅可以保存數(shù)據(jù)，還可以執(zhí)行邏輯功能。通過在磁芯周圍放置多個繞組，可以組合輸入。例如，相反方向的繞組可能會抑制其他輸入。復(fù)雜的邏輯電路可以通過以各種方式將這些核心連接在一起來實現(xiàn)。

磁放大器如何放大

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

可磁化材料的影響，這里采用環(huán)形磁芯 [tan] 的形式，可以通過使用第二個線圈 [環(huán)形磁芯左側(cè)] 施加直流偏置來改變。施加足以迫使材料進入飽和狀態(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圈中去除材料，從而允許更多的電力流向交流負載。

更現(xiàn)實的電路將包括兩個反向纏繞的交流線圈，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載。反饋線圈[未顯示]可用于增加放大。

1956 年， Sperry Rand 公司開發(fā)了一種稱為Ferractor的高速磁放大器，能夠以幾兆赫茲的頻率運行。每個 Ferractor 都是通過在 0.1 英寸（2.5 毫米）非磁性不銹鋼線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軸的微小尺寸。Sperry Rand 在名為 Univac Magnetic Computer 的軍用計算機中使用了 Ferractor，該計算機也被稱為空軍劍橋研究中心 (AFCRC) 計算機。這臺機器包含 1,500 個 Ferractors 和 9,000 個鍺二極管，以及一些晶體管和真空管。

Sperry Rand 后來基于 AFCRC 計算機創(chuàng)建了商用計算機：Univac Solid State（在歐洲稱為 Univac Calculating Tabulator），隨后是較便宜的 STEP（簡單轉(zhuǎn)換電子處理）計算機。盡管 Univac Solid State 并沒有完全辜負它的名字——它的處理器使用了 20 個真空管——但它的受歡迎程度適中，僅售出數(shù)百個。

Sperry Rand 的另一個部門制造了一臺名為 Bogart的計算機，以幫助美國國家安全局進行密碼破譯。

這臺相對較小的計算機之所以得名，是因為它在加密數(shù)據(jù)被 NSA 的大型計算機處理之前對其進行了編輯。

1957 年至 1959 年間，五臺 Bogart 計算機被交付給 NSA。它們采用了由Seymour Cray 設(shè)計的新型磁放大器電路 ，后者后來創(chuàng)造了著名的 Cray 超級計算機。據(jù)報道，在他的數(shù)十項專利中，克雷最自豪的是他的磁放大器設(shè)計。

然而，基于磁放大器的計算機并不總是那么好用。例如，在 1950 年代初期，瑞典億萬富翁實業(yè)家 Axel Wenner-Gren創(chuàng)建了一系列真空管計算機，稱為 ALWAC（Axel L. Wenner-Gren 自動計算機）。1956 年，他告訴美國聯(lián)邦儲備委員會，他可以在 15 個月內(nèi)交付磁放大器版本 ALWAC 800。在美國聯(lián)邦儲備委員會支付 231,800 美元后，計算機的開發(fā)遇到了工程困難，項目以徹底失敗告終。

當然，1950 年代晶體管的進步導(dǎo)致了使用磁放大器的計算機的衰落。但有一段時間，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行辯論 ，這是一臺用于控制泰坦核導(dǎo)彈的 24 位計算機. Cray 制造了兩臺等效的計算機來直接比較這些技術(shù)：Magstec（磁性開關(guān)測試計算機）使用磁放大器，而 Transtec（晶體管測試計算機）使用晶體管。盡管 Magstec 的性能稍好一些，但晶體管顯然是未來的潮流。因此，Sperry Rand 用晶體管制造了 Univac Athena 計算機，將磁放大器降級為計算機電源內(nèi)部的次要功能。

在歐洲，晶體管也在與磁放大器展開較量。例如，英國Ferranti的工程師為他們的計算機開發(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。他們將此電路稱為神經(jīng)元，因為如果輸入超過閾值，它就會產(chǎn)生輸出，類似于生物神經(jīng)元。神經(jīng)元成為 Ferranti 的 Sirius 和 Orion 商用計算機的核心。

另一個例子是 1958 年的波蘭 EMAL-2 計算機，它使用磁芯邏輯和 100 個真空管。這臺 34 位計算機是波蘭第一臺真正高效的數(shù)字計算機。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 計算機使用了 3,000 個鐵氧體邏輯元件（以及 16,000 個硒二極管）。它每秒可以執(zhí)行 1,200 次加法。

在法國，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 32 位桌面大小的計算機使用稱為 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 自己的語言 PAF（Programmation Automatique des Formules）進行編程外，CAB 500 還可用作桌面計算器。

這個時代的一些計算機使用具有復(fù)雜形狀的多孔徑核心來實現(xiàn)邏輯功能。1959 年，貝爾實驗室的工程師開發(fā)了一種稱為 Laddic的梯形磁性元件，它通過在不同的“梯級”周圍發(fā)送信號來實現(xiàn)邏輯功能。該裝置后來被用于一些核反應(yīng)堆安全系統(tǒng)。

沿著這些思路的另一種方法是稱為 Biax 邏輯元件的東西- 一個沿兩個軸有孔的鐵氧體立方體。另一個被稱為transfluxor，它有兩個圓形開口。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)備為美國空軍制造了全磁性邏輯計算機。道格·恩格爾巴特（ Doug Engelbart）以發(fā)明鼠標和大部分現(xiàn)代計算機用戶界面而聞名，他是這臺計算機的關(guān)鍵工程師。

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

這張來自 1966 年 IBM System/360 [頂部] 的板顯示了機器的一些磁芯存儲器，它使用了小的鐵氧體環(huán)，電線穿過這些鐵氧體環(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“大多數(shù)太空飛行器都裝有它們”。該公司的 Pico-Bit 是一種具有競爭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”。美國宇航局阿波羅制導(dǎo)計算機的早期原型是 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)計師冒險轉(zhuǎn)向集成電路。

甚至一些“完全晶體管化”的計算機也到處使用磁放大器。1958 年的 MIT TX-2使用它們來控制其磁帶驅(qū)動電機，而1959 年推出的IBM 7090和 1964 年推出的流行的 IBM?System/360大型機使用磁放大器來調(diào)節(jié)其電源。Control Data Corp. 1960 年的160 小型計算機在其控制臺打字機中使用了磁放大器。磁放大器對于 1960 年的Univac LARC超級計算機中的邏輯電路來說太慢了，但它們被用來驅(qū)動其核心存儲器。

1950 年代，美國海軍的工程師稱磁放大器為“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)于磁放大器的會議。但在 1960 年代晶體管和其他半導(dǎo)體接管時，對這些設(shè)備的興趣穩(wěn)步下降。

然而，在每個人都認為這些設(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，個人計算機的 ATX標準需要一個經(jīng)過仔細調(diào)節(jié)的 3.3 伏電源。事實證明，磁放大器是控制該電壓的一種廉價而有效的方法，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世紀，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磁放大器，但也許一些新的應(yīng)用——可能用于量子計算或風(fēng)力渦輪機或電動汽車——將再次為它們注入活力。

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