磁放大器如何实现放大功能？

20世纪50年代和60年代人们见证了磁放大器的复兴，在此期间，磁放大器被广泛应用于航空航天等其他行业。在完全让位于晶体管之前，它们甚至出现在了一些早期的固态数字计算机中。如今，这段历史几乎已被遗忘了。因此，本文将讲述一个关于磁放大器的鲜为人知的故事。

**根据其定义，**放大器是一种能够让小信号控制大信号的设备。老式三极真空管通过在其栅极上施加电压来实现这一功能；现代场效应晶体管利用施加在其栅极上的电压来实现这一功能；磁放大器则以电磁方式进行控制。

若要了解其工作原理，可以先以简单的电感器为例，比如绕在铁棒上的电线。此类电感器通常会阻碍交流电通过电线。这是因为电流流动时，线圈会产生交变磁场，集中在铁棒中。这种变化的磁场会在电线中感应出电压，这些电压会阻碍最初产生磁场的交流电。

如果此类电感器承载大量电流，铁棒就会达到一种饱和状态，这样一来铁就不会变得比其原有磁化程度更高。发生这种情况时，电流会几乎不受阻碍地通过线圈。饱和状态通常并不容易实现，但磁放大器利用了这一效应。

从物理上来说，磁放大器是围绕容易饱和的金属芯材料构建的，通常是一个环或矩形回线，周围缠着一根电线。同样缠绕在金属芯上的第二根电线则形成控制绕组。控制绕组包括多匝电线，因此，让相对较小的直流电流通过可以迫使铁芯进入或退出饱和状态。

因此，磁放大器的行为就像一个开关。饱和时，可以让主绕组中的交流电流畅通无阻地通过；不饱和时，则阻止电流。发生放大是因为相对较小的直流电控制电流可以改变大得多的交流电负载电流。

磁放大器的历史始于1901年在美国申请的一些专利。到1916年，大型磁放大器被用于跨大西洋无线电电话，这是通过一项名为Alexanderson交流发电机的发明来实现的。该发电机为无线电发射机产生了高功率、高频交流电。磁放大器可根据要传输的语音信号强度来调制发射机的输出。

在20世纪20年代，真空管得到改进，Alexanderson交流发电机和磁放大器的组合被淘汰。磁放大器的用武之地变少，仅限于剧院里的调光器等。

德国后来在磁放大器方面的成功很大程度上依靠的是先进磁性合金的发展。由这些材料制成的磁放大器可以在开启和关闭状态之间快速切换，带来更好的控制效果并提高效率。然而，这些材料对杂质、晶体大小和方向的变化，甚至机械应力都非常敏感。所以它们需要精确的制造工艺。

性能最好的德国材料是1943年开发的Permenorm 5000-Z。这是一种极其纯净的50/50镍铁合金，可在部分真空下熔化。然后将此金属冷轧到像纸一样薄，并缠绕在非磁性结构上。由此制成的材料类似于一卷由薄薄的Permenorm金属制成的胶带。卷绕后，将模块在1100摄氏度的氢气中退火2小时，然后快速冷却。此过程会使金属晶体定向，使其行为像一个具有均匀特性的大晶体。只有完成这一步后，才能将电线缠绕在金属芯上。

1948年，马里兰州的科学家们找到了制造这种合金的方法，该合金很快就由阿诺德工程有限公司以Deltamax的名称推向市场。这种磁性材料在美国的出现重新激发了人们对磁放大器的热情。磁放大器可以耐受极端条件而不会像真空管一样烧坏，因此，它能应用于苛刻环境，特别是在太空和工业控制领域。

由于磁放大器的可靠性，美国太空计划也广泛使用了磁放大器。例如，1961年将艾伦•谢泼德（Alan Shepard）送入太空的红石火箭就使用了磁放大器。在20世纪60年代和70年代的阿波罗登月计划中，电源和风扇就是由磁放大器控制的。当时的卫星使用了磁放大器进行信号调节、电流感测和限制以及遥测。甚至航天飞机也使用了磁放大器来调暗荧光灯。

此外，磁放大器在工业控制和自动化领域也得到了广泛使用，上市销售的通用电气的Amplistat、CGS实验室的Increductor、西屋的Cypak（控制论封装）和Librascope的Unidec（通用决策元件）等品牌都有包含了磁放大器的产品。

**磁性材料对计算机行业也产生了非常大的影响。**20世纪40年代末，研究人员发现新磁性材料有存储数据的能力。圆形磁芯可以逆时针或顺时针磁化，从而存储0或1。有了矩形磁滞回线，可确保材料在断电后仍保持一种稳定的磁化状态。

然后，研究人员用密集的磁芯网格构建了核心存储器。这些技术专家很快就从使用缠绕金属芯转向了使用铁氧体（一种含有氧化铁的陶瓷材料）制成的磁芯。到20世纪60年代中期，随着单个磁芯的制造成本下降为不到1美分，铁氧体磁芯遭到大众的淘汰。

不过，磁性材料并非只对早期数字计算机的核心存储器产生了影响。从20世纪40年代开始，这些机器的第一代使用了真空管进行计算。20世纪50年代末，基于晶体管的第二代机器取代了第一代机器，随后是由集成电路构建的第三代计算机。

实际上，计算机技术的进步并不是线性的。早期晶体管不是明显的赢家，还有许多其他替代品被开发了出来。磁放大器就是几代计算机之间几个基本上被遗忘的计算技术之一。

这是因为在20世纪50年代初，研究员意识到磁芯不仅可以保存数据，还可以实现逻辑功能。通过在一个磁芯上缠绕多个绕组，可以组合输入。例如，反方向缠绕可能会抑制其他输入。通过以各种方式将这些磁芯连接在一起可以实现复杂的逻辑电路。

1956年，Sperry Rand公司开发了一种名为铁氧体磁放大器（Ferractor）的高速磁放大器，它能够以几兆赫兹的频率工作。每个铁氧体磁放大器都是通过在一个0.1英寸（2.5毫米）的非磁性不锈钢线轴上缠绕12圈1/8密耳（约3微米）的坡莫合金（Permalloy）带制成的。

铁氧体磁放大器之所以有这样的性质，是因为这种胶带非常薄，而且线轴尺寸很小。Sperry Rand在一台名为Univac的磁性计算机中使用了铁氧体磁放大器，该计算机也叫空军剑桥研究中心（AFCRC）计算机。这台机器包含1500个铁氧体磁放大器和9000个锗二极管，以及一些晶体管和真空管。

Sperry Rand后来在空军剑桥研究中心计算机的基础上打造了商用计算机，首先是Univac固态计算机（在欧洲被称为Univac计算制表机），随后是较便宜的STEP（简单转换电子处理）计算机。虽然Univac固态计算机并不完全名副其实（其处理器使用了20个真空管），但它还是比较受欢迎，售出了数百台。

Sperry Rand的另一个部门制造了一台名为Bogart的计算机。这台计算机是以著名的《纽约太阳报》编辑约翰•鲍嘉（John Bogart）的名字命名的，《卡萨布兰卡》和《盖世枭雄》的粉丝们可能会失望，这两部电影的主演为亨弗莱•鲍嘉（Humphrey Bogart）。

不过，基于磁放大器的计算机的发展并非总是一帆风顺。例如，在20世纪50年代初，瑞典实业家、亿万富翁阿克塞尔•温纳•格伦（Axel Wenner-Gren）制造了一系列真空管计算机，称之为ALWAC。1956年，他告诉美国联邦储备委员会，他可以在15个月内推出磁放大器版本ALWAC 800。在美联储支付了23.18万美元后，计算机开发遇到了工程上的困难，项目以彻底失败告终。

当然，20世纪50年代晶体管的进步也导致了使用磁放大器的计算机的衰落。但有一段时间，哪项技术更优越并不明朗。例如，在20世纪50年代中期，兰德公司还在为了24位计算机雅典娜（Athena）中采用磁放大器还是晶体管争论不休。为了比较这两种技术，克雷制造了两台等效的计算机：采用磁放大器的磁性开关测试计算机（Magstec）和采用晶体管的晶体管测试计算机（Transtec）。尽管磁性开关测试计算机表现稍好，但显然晶体管才是未来的潮流。因此，兰德公司用晶体管制造了Univac Athena计算机，将磁放大器用于实现计算机电源内部的次要功能。

**欧洲也一样，**晶体管也在与磁放大器一争高下。例如，英国费兰蒂公司的工程师为其计算机开发了磁放大器电路。但是他们发现晶体管可提供更可靠的放大效果，所以他们用一个变压器和一个晶体管代替了磁放大器。他们将这种电路称为“神经元”，因为如果输入超过阈值，它就会产生输出，类似于生物神经元。神经元成为了费兰蒂公司的Sirius和Orion商用计算机的核心。

另一个例子是1958年波兰的EMAL-2计算机，它使用了磁芯逻辑和100个真空管。这台34位计算机是波兰第一台真正高效的数字计算机。它结构紧凑，但速度很慢，每秒只能执行150次左右的运算。

在苏联，1954年的15位LEM-1计算机使用了3000个铁氧体逻辑元件（以及1.6万个硒二极管）。它每秒可以执行1200次加法运算。

在法国，磁放大器被用于CAB 500。该产品于1960年由一家名为Société d’Electronique et d’Automatisme（SEA）的公司出售，用于科学和技术用途。这台桌面大小的32位计算机使用了一种叫做Symmag的磁性逻辑元件以及晶体管和真空管电源。除了用Fortran、Algol或SEA自己的语言PAF（Programmation Automatique des Formules）进行编程外，CAB 500还可用作桌面计算器。

这个时代的一些计算机使用了形状复杂的多孔磁芯来实现逻辑功能。1959年，贝尔实验室的工程师开发了一种叫做Laddic的梯形磁性元件，该元件通过在不同的“梯级”周围发送信号来实现逻辑功能。该设备后来被用于一些核反应堆安全系统。

沿着这些思路产生的另一种方法是双轴（Biax）逻辑元件，它是一个沿两个轴有孔的铁氧体立方体。另一个是多孔磁芯（transfluxor），它有两个圆形开口。大约在1961年，斯坦福研究所的工程师使用这种多孔磁性设备制造了全磁性逻辑计算机。道格•恩格尔巴特（Doug Engelbart）是这台计算机的核心工程师，他后来以发明鼠标和许多现代计算机用户界面而闻名。

当时的一些计算机结合使用了晶体管与磁芯。这个理念的目的是减少当时昂贵的晶体管数量。这种名为磁芯晶体管逻辑（CTL）的方法被用于英国的Elliott 803计算机，这是一款1959年推出的小型系统，具有独特的39位字长。1960年的Burroughs D210磁性计算机是一台仅重35磅（约16千克）的小型计算机，它是专为航空航天应用而设计的，也采用了磁芯晶体管逻辑。

磁芯晶体管逻辑尤其适用于太空应用。一家名为Di/An Controls的公司生产了一系列逻辑电路，并声称“大多数航天器都采用了这些逻辑电路”。该公司的Pico-Bit是一种磁芯晶体管逻辑产品，在1964年被宣传为“你在太空中的最佳物品”。NASA阿波罗制导计算机的早期原型就是用磁芯晶体管逻辑制造的，但1962年，麻省理工学院的设计者冒险改用了集成电路。

甚至一些“完全晶体管化”的计算机也纷纷使用了磁放大器。1958年麻省理工学院的TX-2就使用了磁放大器来控制其磁带驱动电机，而1959年推出的IBM 7090和1964年推出的流行款IBM System/360大型主机都使用了磁放大器来调节电源。控制数据公司（Control Data Corp.）1960年款160小型计算机也在其控制台打字机中使用了磁放大器。虽然磁放大器对于1960年的Univac LARC超级计算机中的逻辑电路来说太慢了，但它们被用于了驱动其磁芯存储器。

**20世纪50年代，**美国的工程师们称磁放大器为“一颗冉冉升起的新星”。1957年，还有400多名工程师参加了一个关于磁放大器的会议。但20世纪60年代，随着晶体管和其他半导体取而代之，人们对磁放大器相关设备的兴趣逐渐消退。

不过，在所有人都认为这些设备注定要被历史尘封之后，磁放大器又有了新用途。20世纪90年代中期，个人计算机的ATX标准要求有一个经精确调节的3.3伏电源。事实证明，磁放大器是控制这种电压的一种廉价而有效的方法，这使得磁放大器成为了大多数个人计算机电源的关键部分。和以前一样，磁放大器的复兴并没有持续多久，在现代电源中，直流-直流调节器已经在很大程度上取代了磁放大器。

总的来说，磁放大器的历史跨越了大约一个世纪，它们曾一度流行，然后死灰复燃，最终又归于沉寂。虽然如今生产的电子硬件很少包含磁放大器，但也许一些新的应用（量子计算、风力涡轮机或电动汽车）将再次为它们注入活力。







审核编辑：刘清