磁放大器如何實(shí)現(xiàn)放大功能？

20世紀(jì)50年代和60年代人們見證了磁放大器的復(fù)興，在此期間，磁放大器被廣泛應(yīng)用于航空航天等其他行業(yè)。在完全讓位于晶體管之前，它們甚至出現(xiàn)在了一些早期的固態(tài)數(shù)字計(jì)算機(jī)中。如今，這段歷史幾乎已被遺忘了。因此，本文將講述一個(gè)關(guān)于磁放大器的鮮為人知的故事。

**根據(jù)其定義，**放大器是一種能夠讓小信號(hào)控制大信號(hào)的設(shè)備。老式三極真空管通過在其柵極上施加電壓來實(shí)現(xiàn)這一功能；現(xiàn)代場(chǎng)效應(yīng)晶體管利用施加在其柵極上的電壓來實(shí)現(xiàn)這一功能；磁放大器則以電磁方式進(jìn)行控制。

若要了解其工作原理，可以先以簡(jiǎn)單的電感器為例，比如繞在鐵棒上的電線。此類電感器通常會(huì)阻礙交流電通過電線。這是因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流流動(dòng)時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，集中在鐵棒中。這種變化的磁場(chǎng)會(huì)在電線中感應(yīng)出電壓，這些電壓會(huì)阻礙最初產(chǎn)生磁場(chǎng)的交流電。

如果此類電感器承載大量電流，鐵棒就會(huì)達(dá)到一種飽和狀態(tài)，這樣一來鐵就不會(huì)變得比其原有磁化程度更高。發(fā)生這種情況時(shí)，電流會(huì)幾乎不受阻礙地通過線圈。飽和狀態(tài)通常并不容易實(shí)現(xiàn)，但磁放大器利用了這一效應(yīng)。

從物理上來說，磁放大器是圍繞容易飽和的金屬芯材料構(gòu)建的，通常是一個(gè)環(huán)或矩形回線，周圍纏著一根電線。同樣纏繞在金屬芯上的第二根電線則形成控制繞組。控制繞組包括多匝電線，因此，讓相對(duì)較小的直流電流通過可以迫使鐵芯進(jìn)入或退出飽和狀態(tài)。

因此，磁放大器的行為就像一個(gè)開關(guān)。飽和時(shí)，可以讓主繞組中的交流電流暢通無阻地通過；不飽和時(shí)，則阻止電流。發(fā)生放大是因?yàn)橄鄬?duì)較小的直流電控制電流可以改變大得多的交流電負(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(xiàng)名為Alexanderson交流發(fā)電機(jī)的發(fā)明來實(shí)現(xiàn)的。該發(fā)電機(jī)為無線電發(fā)射機(jī)產(chǎn)生了高功率、高頻交流電。磁放大器可根據(jù)要傳輸?shù)恼Z音信號(hào)強(qiáng)度來調(diào)制發(fā)射機(jī)的輸出。

在20世紀(jì)20年代，真空管得到改進(jìn)，Alexanderson交流發(fā)電機(jī)和磁放大器的組合被淘汰。磁放大器的用武之地變少，僅限于劇院里的調(diào)光器等。

德國(guó)后來在磁放大器方面的成功很大程度上依靠的是先進(jìn)磁性合金的發(fā)展。由這些材料制成的磁放大器可以在開啟和關(guān)閉狀態(tài)之間快速切換，帶來更好的控制效果并提高效率。然而，這些材料對(duì)雜質(zhì)、晶體大小和方向的變化，甚至機(jī)械應(yīng)力都非常敏感。所以它們需要精確的制造工藝。

性能最好的德國(guó)材料是1943年開發(fā)的Permenorm 5000-Z。這是一種極其純凈的50/50鎳鐵合金，可在部分真空下熔化。然后將此金屬冷軋到像紙一樣薄，并纏繞在非磁性結(jié)構(gòu)上。由此制成的材料類似于一卷由薄薄的Permenorm金屬制成的膠帶。卷繞后，將模塊在1100攝氏度的氫氣中退火2小時(shí)，然后快速冷卻。此過程會(huì)使金屬晶體定向，使其行為像一個(gè)具有均勻特性的大晶體。只有完成這一步后，才能將電線纏繞在金屬芯上。

1948年，馬里蘭州的科學(xué)家們找到了制造這種合金的方法，該合金很快就由阿諾德工程有限公司以Deltamax的名稱推向市場(chǎng)。這種磁性材料在美國(guó)的出現(xiàn)重新激發(fā)了人們對(duì)磁放大器的熱情。磁放大器可以耐受極端條件而不會(huì)像真空管一樣燒壞，因此，它能應(yīng)用于苛刻環(huán)境，特別是在太空和工業(yè)控制領(lǐng)域。

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（Alan Shepard）送入太空的紅石火箭就使用了磁放大器。在20世紀(jì)60年代和70年代的阿波羅登月計(jì)劃中，電源和風(fēng)扇就是由磁放大器控制的。當(dāng)時(shí)的衛(wèi)星使用了磁放大器進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)、電流感測(cè)和限制以及遙測(cè)。甚至航天飛機(jī)也使用了磁放大器來調(diào)暗熒光燈。

此外，磁放大器在工業(yè)控制和自動(dòng)化領(lǐng)域也得到了廣泛使用，上市銷售的通用電氣的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）等品牌都有包含了磁放大器的產(chǎn)品。

**磁性材料對(duì)計(jì)算機(jī)行業(yè)也產(chǎn)生了非常大的影響。**20世紀(jì)40年代末，研究人員發(fā)現(xiàn)新磁性材料有存儲(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，從而存儲(chǔ)0或1。有了矩形磁滯回線，可確保材料在斷電后仍保持一種穩(wěn)定的磁化狀態(tài)。

然后，研究人員用密集的磁芯網(wǎng)格構(gòu)建了核心存儲(chǔ)器。這些技術(shù)專家很快就從使用纏繞金屬芯轉(zhuǎn)向了使用鐵氧體（一種含有氧化鐵的陶瓷材料）制成的磁芯。到20世紀(jì)60年代中期，隨著單個(gè)磁芯的制造成本下降為不到1美分，鐵氧體磁芯遭到大眾的淘汰。

不過，磁性材料并非只對(duì)早期數(shù)字計(jì)算機(jī)的核心存儲(chǔ)器產(chǎn)生了影響。從20世紀(jì)40年代開始，這些機(jī)器的第一代使用了真空管進(jìn)行計(jì)算。20世紀(jì)50年代末，基于晶體管的第二代機(jī)器取代了第一代機(jī)器，隨后是由集成電路構(gòu)建的第三代計(jì)算機(jī)。

實(shí)際上，計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步并不是線性的。早期晶體管不是明顯的贏家，還有許多其他替代品被開發(fā)了出來。磁放大器就是幾代計(jì)算機(jī)之間幾個(gè)基本上被遺忘的計(jì)算技術(shù)之一。

這是因?yàn)樵?0世紀(jì)50年代初，研究員意識(shí)到磁芯不僅可以保存數(shù)據(jù)，還可以實(shí)現(xiàn)邏輯功能。通過在一個(gè)磁芯上纏繞多個(gè)繞組，可以組合輸入。例如，反方向纏繞可能會(huì)抑制其他輸入。通過以各種方式將這些磁芯連接在一起可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯電路。

1956年，Sperry Rand公司開發(fā)了一種名為鐵氧體磁放大器（Ferractor）的高速磁放大器，它能夠以幾兆赫茲的頻率工作。每個(gè)鐵氧體磁放大器都是通過在一個(gè)0.1英寸（2.5毫米）的非磁性不銹鋼線軸上纏繞12圈1/8密耳（約3微米）的坡莫合金（Permalloy）帶制成的。

鐵氧體磁放大器之所以有這樣的性質(zhì)，是因?yàn)檫@種膠帶非常薄，而且線軸尺寸很小。Sperry Rand在一臺(tái)名為Univac的磁性計(jì)算機(jī)中使用了鐵氧體磁放大器，該計(jì)算機(jī)也叫空軍劍橋研究中心（AFCRC）計(jì)算機(jī)。這臺(tái)機(jī)器包含1500個(gè)鐵氧體磁放大器和9000個(gè)鍺二極管，以及一些晶體管和真空管。

Sperry Rand后來在空軍劍橋研究中心計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上打造了商用計(jì)算機(jī)，首先是Univac固態(tài)計(jì)算機(jī)（在歐洲被稱為Univac計(jì)算制表機(jī)），隨后是較便宜的STEP（簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換電子處理）計(jì)算機(jī)。雖然Univac固態(tài)計(jì)算機(jī)并不完全名副其實(shí)（其處理器使用了20個(gè)真空管），但它還是比較受歡迎，售出了數(shù)百臺(tái)。

Sperry Rand的另一個(gè)部門制造了一臺(tái)名為Bogart的計(jì)算機(jī)。這臺(tái)計(jì)算機(jī)是以著名的《紐約太陽報(bào)》編輯約翰?鮑嘉（John Bogart）的名字命名的，《卡薩布蘭卡》和《蓋世梟雄》的粉絲們可能會(huì)失望，這兩部電影的主演為亨弗萊?鮑嘉（Humphrey Bogart）。

不過，基于磁放大器的計(jì)算機(jī)的發(fā)展并非總是一帆風(fēng)順。例如，在20世紀(jì)50年代初，瑞典實(shí)業(yè)家、億萬富翁阿克塞爾?溫納?格倫（Axel Wenner-Gren）制造了一系列真空管計(jì)算機(jī)，稱之為ALWAC。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)推出磁放大器版本ALWAC 800。在美聯(lián)儲(chǔ)支付了23.18萬美元后，計(jì)算機(jī)開發(fā)遇到了工程上的困難，項(xiàng)目以徹底失敗告終。

當(dāng)然，20世紀(jì)50年代晶體管的進(jìn)步也導(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，哪項(xiàng)技術(shù)更優(yōu)越并不明朗。例如，在20世紀(jì)50年代中期，蘭德公司還在為了24位計(jì)算機(jī)雅典娜（Athena）中采用磁放大器還是晶體管爭(zhēng)論不休。為了比較這兩種技術(shù)，克雷制造了兩臺(tái)等效的計(jì)算機(jī)：采用磁放大器的磁性開關(guān)測(cè)試計(jì)算機(jī)（Magstec）和采用晶體管的晶體管測(cè)試計(jì)算機(jī)（Transtec）。盡管磁性開關(guān)測(cè)試計(jì)算機(jī)表現(xiàn)稍好，但顯然晶體管才是未來的潮流。因此，蘭德公司用晶體管制造了Univac Athena計(jì)算機(jī)，將磁放大器用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)電源內(nèi)部的次要功能。

**歐洲也一樣，**晶體管也在與磁放大器一爭(zhēng)高下。例如，英國(guó)費(fèi)蘭蒂公司的工程師為其計(jì)算機(jī)開發(fā)了磁放大器電路。但是他們發(fā)現(xiàn)晶體管可提供更可靠的放大效果，所以他們用一個(gè)變壓器和一個(gè)晶體管代替了磁放大器。他們將這種電路稱為“神經(jīng)元”，因?yàn)槿绻斎氤^閾值，它就會(huì)產(chǎn)生輸出，類似于生物神經(jīng)元。神經(jīng)元成為了費(fèi)蘭蒂公司的Sirius和Orion商用計(jì)算機(jī)的核心。

另一個(gè)例子是1958年波蘭的EMAL-2計(jì)算機(jī)，它使用了磁芯邏輯和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，但速度很慢，每秒只能執(zhí)行150次左右的運(yùn)算。

在蘇聯(lián)，1954年的15位LEM-1計(jì)算機(jī)使用了3000個(gè)鐵氧體邏輯元件（以及1.6萬個(gè)硒二極管）。它每秒可以執(zhí)行1200次加法運(yùn)算。

在法國(guó)，磁放大器被用于CAB 500。該產(chǎn)品于1960年由一家名為Société d’Electronique et d’Automatisme（SEA）的公司出售，用于科學(xué)和技術(shù)用途。這臺(tái)桌面大小的32位計(jì)算機(jī)使用了一種叫做Symmag的磁性邏輯元件以及晶體管和真空管電源。除了用Fortran、Algol或SEA自己的語言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)使用了形狀復(fù)雜的多孔磁芯來實(shí)現(xiàn)邏輯功能。1959年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師開發(fā)了一種叫做Laddic的梯形磁性元件，該元件通過在不同的“梯級(jí)”周圍發(fā)送信號(hào)來實(shí)現(xiàn)邏輯功能。該設(shè)備后來被用于一些核反應(yīng)堆安全系統(tǒng)。

沿著這些思路產(chǎn)生的另一種方法是雙軸（Biax）邏輯元件，它是一個(gè)沿兩個(gè)軸有孔的鐵氧體立方體。另一個(gè)是多孔磁芯（transfluxor），它有兩個(gè)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磁性設(shè)備制造了全磁性邏輯計(jì)算機(jī)。道格?恩格爾巴特（Doug Engelbart）是這臺(tái)計(jì)算機(jī)的核心工程師，他后來以發(fā)明鼠標(biāo)和許多現(xiàn)代計(jì)算機(jī)用戶界面而聞名。

當(dāng)時(shí)的一些計(jì)算機(jī)結(jié)合使用了晶體管與磁芯。這個(gè)理念的目的是減少當(dāng)時(shí)昂貴的晶體管數(shù)量。這種名為磁芯晶體管邏輯（CTL）的方法被用于英國(guó)的Elliott 803計(jì)算機(jī)，這是一款1959年推出的小型系統(tǒng)，具有獨(dú)特的39位字長(zhǎng)。1960年的Burroughs D210磁性計(jì)算機(jī)是一臺(tái)僅重35磅（約16千克）的小型計(jì)算機(jī)，它是專為航空航天應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，也采用了磁芯晶體管邏輯。

磁芯晶體管邏輯尤其適用于太空應(yīng)用。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)航天器都采用了這些邏輯電路”。該公司的Pico-Bit是一種磁芯晶體管邏輯產(chǎn)品，在1964年被宣傳為“你在太空中的最佳物品”。NASA阿波羅制導(dǎo)計(jì)算機(jī)的早期原型就是用磁芯晶體管邏輯制造的，但1962年，麻省理工學(xué)院的設(shè)計(jì)者冒險(xiǎn)改用了集成電路。

甚至一些“完全晶體管化”的計(jì)算機(jī)也紛紛使用了磁放大器。1958年麻省理工學(xué)院的TX-2就使用了磁放大器來控制其磁帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而1959年推出的IBM 7090和1964年推出的流行款I(lǐng)BM System/360大型主機(jī)都使用了磁放大器來調(diào)節(jié)電源?？刂茢?shù)據(jù)公司（Control Data Corp.）1960年款160小型計(jì)算機(jī)也在其控制臺(tái)打字機(jī)中使用了磁放大器。雖然磁放大器對(duì)于1960年的Univac LARC超級(jí)計(jì)算機(jī)中的邏輯電路來說太慢了，但它們被用于了驅(qū)動(dòng)其磁芯存儲(chǔ)器。

**20世紀(jì)50年代，**美國(guó)的工程師們稱磁放大器為“一顆冉冉升起的新星”。1957年，還有400多名工程師參加了一個(gè)關(guān)于磁放大器的會(huì)議。但20世紀(jì)60年代，隨著晶體管和其他半導(dǎo)體取而代之，人們對(duì)磁放大器相關(guān)設(shè)備的興趣逐漸消退。

不過，在所有人都認(rèn)為這些設(shè)備注定要被歷史塵封之后，磁放大器又有了新用途。20世紀(jì)90年代中期，個(gè)人計(jì)算機(jī)的ATX標(biāo)準(zhǔn)要求有一個(gè)經(jīng)精確調(diào)節(jié)的3.3伏電源。事實(shí)證明，磁放大器是控制這種電壓的一種廉價(jià)而有效的方法，這使得磁放大器成為了大多數(shù)個(gè)人計(jì)算機(jī)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，在現(xiàn)代電源中，直流-直流調(diào)節(jié)器已經(jīng)在很大程度上取代了磁放大器。

總的來說，磁放大器的歷史跨越了大約一個(gè)世紀(jì)，它們?cè)欢攘餍?，然后死灰?fù)燃，最終又歸于沉寂。雖然如今生產(chǎn)的電子硬件很少包含磁放大器，但也許一些新的應(yīng)用（量子計(jì)算、風(fēng)力渦輪機(jī)或電動(dòng)汽車）將再次為它們注入活力。







審核編輯：劉清