20世紀50年代和60年代人們見證了磁放大器的復興，在此期間，磁放大器被廣泛應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)字計算機中。如今，這段歷史幾乎已被遺忘了。因此，本文將講述一個關(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控制大信號的設(shè)備。老式三極真空管通過在其柵極上施加電壓來實現(xiàn)這一功能；現(xiàn)代場效應晶體管利用施加在其柵極上的電壓來實現(xiàn)這一功能；磁放大器則以電磁方式進行控制。

若要了解其工作原理，可以先以簡單的電感器為例，比如繞在鐵棒上的電線。此類電感器通常會阻礙交流電通過電線。這是因為電流流動時，線圈會產(chǎn)生交變磁場，集中在鐵棒中。這種變化的磁場會在電線中感應出電壓，這些電壓會阻礙最初產(chǎn)生磁場的交流電。

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

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，讓相對較小的直流電流通過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)。飽和時，可以讓主繞組中的交流電流暢通無阻地通過；不飽和時，則阻止電流。發(fā)生放大是因為相對較小的直流電控制電流可以改變大得多的交流電負載電流。

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，這是通過一項名為Alexanderson交流發(fā)電機的發(fā)明來實現(xiàn)的。該發(fā)電機為無線電發(fā)射機產(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音信號強度來調(diào)制發(fā)射機的輸出。

在20世紀20年代，真空管得到改進，Alexanderson交流發(fā)電機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。

德國后來在磁放大器方面的成功很大程度上依靠的是先進磁性合金的發(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，這些材料對雜質(zhì)、晶體大小和方向的變化，甚至機械應力都非常敏感。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，然后快速冷卻。此過程會使金屬晶體定向，使其行為像一個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。這種磁性材料在美國的出現(xiàn)重新激發(fā)了人們對磁放大器的熱情。磁放大器可以耐受極端條件而不會像真空管一樣燒壞，因此，它能應用于苛刻環(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，美國太空計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60年代和70年代的阿波羅登月計劃中，電源和風扇就是由磁放大器控制的。當時的衛(wèi)星使用了磁放大器進行信號調(diào)節(jié)、電流感測和限制以及遙測。甚至航天飛機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）等品牌都有包含了磁放大器的產(chǎn)品。

**磁性材料對計算機行業(yè)也產(chǎn)生了非常大的影響。**20世紀40年代末，研究人員發(fā)現(xiàn)新磁性材料有存儲數(shù)據(jù)的能力。圓形磁芯可以逆時針或順時針磁化，從而存儲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60年代中期，隨著單個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，磁性材料并非只對早期數(shù)字計算機的核心存儲器產(chǎn)生了影響。從20世紀40年代開始，這些機器的第一代使用了真空管進行計算。20世紀50年代末，基于晶體管的第二代機器取代了第一代機器，隨后是由集成電路構(gòu)建的第三代計算機。

實際上，計算機技術(shù)的進步并不是線性的。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算機之間幾個基本上被遺忘的計算技術(shù)之一。

這是因為在20世紀50年代初，研究員意識到磁芯不僅可以保存數(shù)據(jù)，還可以實現(xiàn)邏輯功能。通過在一個磁芯上纏繞多個繞組，可以組合輸入。例如，反方向纏繞可能會抑制其他輸入。通過以各種方式將這些磁芯連接在一起可以實現(xiàn)復雜的邏輯電路。

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。每個鐵氧體磁放大器都是通過在一個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)，是因為這種膠帶非常薄，而且線軸尺寸很小。Sperry Rand在一臺名為Univac的磁性計算機中使用了鐵氧體磁放大器，該計算機也叫空軍劍橋研究中心（AFCRC）計算機。這臺機器包含1500個鐵氧體磁放大器和9000個鍺二極管，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算機的基礎(chǔ)上打造了商用計算機，首先是Univac固態(tài)計算機（在歐洲被稱為Univac計算制表機），隨后是較便宜的STEP（簡單轉(zhuǎn)換電子處理）計算機。雖然Univac固態(tài)計算機并不完全名副其實（其處理器使用了20個真空管），但它還是比較受歡迎，售出了數(shù)百臺。

Sperry Rand的另一個部門制造了一臺名為Bogart的計算機。這臺計算機是以著名的《紐約太陽報》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，基于磁放大器的計算機的發(fā)展并非總是一帆風順。例如，在20世紀50年代初，瑞典實業(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算機，稱之為ALWAC。1956年，他告訴美國聯(lián)邦儲備委員會，他可以在15個月內(nèi)推出磁放大器版本ALWAC 800。在美聯(lián)儲支付了23.18萬美元后，計算機開發(fā)遇到了工程上的困難，項目以徹底失敗告終。

當然，20世紀50年代晶體管的進步也導致了使用磁放大器的計算機的衰落。但有一段時間，哪項技術(shù)更優(yōu)越并不明朗。例如，在20世紀50年代中期，蘭德公司還在為了24位計算機雅典娜（Athena）中采用磁放大器還是晶體管爭論不休。為了比較這兩種技術(shù)，克雷制造了兩臺等效的計算機：采用磁放大器的磁性開關(guān)測試計算機（Magstec）和采用晶體管的晶體管測試計算機（Transtec）。盡管磁性開關(guān)測試計算機表現(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計算機，將磁放大器用于實現(xiàn)計算機電源內(nèi)部的次要功能。

**歐洲也一樣，**晶體管也在與磁放大器一爭高下。例如，英國費蘭蒂公司的工程師為其計算機開發(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，所以他們用一個變壓器和一個晶體管代替了磁放大器。他們將這種電路稱為“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)元成為了費蘭蒂公司的Sirius和Orion商用計算機的核心。

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

在蘇聯(lián)，1954年的15位LEM-1計算機使用了3000個鐵氧體邏輯元件（以及1.6萬個硒二極管）。它每秒可以執(zhí)行1200次加法運算。

在法國，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，用于科學和技術(shù)用途。這臺桌面大小的32位計算機使用了一種叫做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了形狀復雜的多孔磁芯來實現(xiàn)邏輯功能。1959年，貝爾實驗室的工程師開發(fā)了一種叫做Laddic的梯形磁性元件，該元件通過在不同的“梯級”周圍發(fā)送信號來實現(xiàn)邏輯功能。該設(shè)備后來被用于一些核反應堆安全系統(tǒng)。

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

當時的一些計算機結(jié)合使用了晶體管與磁芯。這個理念的目的是減少當時昂貴的晶體管數(shù)量。這種名為磁芯晶體管邏輯（CTL）的方法被用于英國的Elliott 803計算機，這是一款1959年推出的小型系統(tǒng)，具有獨特的39位字長。1960年的Burroughs D210磁性計算機是一臺僅重35磅（約16千克）的小型計算機，它是專為航空航天應用而設(shè)計的，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阿波羅制導計算機的早期原型就是用磁芯晶體管邏輯制造的，但1962年，麻省理工學院的設(shè)計者冒險改用了集成電路。

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

**20世紀50年代，**美國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關(guān)于磁放大器的會議。但20世紀60年代，隨著晶體管和其他半導體取而代之，人們對磁放大器相關(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90年代中期，個人計算機的ATX標準要求有一個經(jīng)精確調(diào)節(jié)的3.3伏電源。事實證明，磁放大器是控制這種電壓的一種廉價而有效的方法，這使得磁放大器成為了大多數(shù)個人計算機電源的關(guān)鍵部分。和以前一樣，磁放大器的復興并沒有持續(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世紀，它們曾一度流行，然后死灰復燃，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，但也許一些新的應用（量子計算、風力渦輪機或電動汽車）將再次為它們注入活力。







審核編輯：劉清