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差点打败晶体管的一种放大器

半导体行业观察 ·2022-03-28 09:34·半导体行业观察
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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank) 编译自IEEE ,谢谢。


在第二次世界大战期间,德国军方开发了一些在当时看来是非常复杂的技术,包括用来对伦敦造成破坏的V-2 火箭。然而,V-2 以及许多其他德国军事硬件都依赖于一种你可能从未听说过的晦涩且看似陈旧的组件,称为磁放大器或磁放大器。

一位消息人士称,在美国,磁放大器长期以来一直被认为是过时的——“太慢、太笨重、效率太低,无法认真对待”。因此,那个时代的美国军事电子专家对德国广泛使用这种设备感到困惑,他们最初是从审讯德国战俘中了解到的。第三帝国的工程师们知道了什么是美国人没有发现的?

战后,美国情报人员在德国搜寻有用的科技信息。400 名专家筛选了数十亿页文件,并将 350 万页缩微胶卷连同近 200 吨德国工业设备运回美国。在海量的信息和设备中,隐藏着德国磁放大器的秘密:使这些设备紧凑、高效和可靠的金属合金。

美国工程师很快就能够复制这些合金。结果,在 1950 年代和 60 年代看到了磁放大器的复兴,在此期间它们被广泛用于军事、航空航天和其他行业。在完全让位于晶体管之前,它们甚至出现在一些早期的固态数字计算机中。如今,这段历史几乎被遗忘了。所以在这里我将提供鲜为人知的磁放大器故事。

根据定义,放大器 是一种允许小信号控制大信号的设备。老式的三极真空管使用施加到其栅极的电压来实现这一点。现代场效应晶体管使用施加到其栅极的电压来实现。mag amp 练习电磁控制。

磁放大器用于多种应用,包括德国军方在二战期间使用的臭名昭著的 V-2 火箭 [上] 和 1956 年完成的 Magstec 计算机 [中]。英国 Elliot 803 计算机1961 [底部] 使用了相关的核心晶体管逻辑。


要了解它是如何工作的,首先考虑一个简单的电感器,比如绕在铁棒上的电线。这种电感器往往会阻止交流电流通过导线。这是因为当电流流动时,线圈会产生交变磁场,集中在铁棒中。并且这种变化的磁场会在电线中感应出电压,这些电压会阻止最初产生磁场的交流电。

如果这样的电感器承载大量电流,则棒会达到一种称为饱和的状态,从而铁不会变得比它已经被磁化的程度更高。发生这种情况时,电流几乎不受阻碍地通过线圈。饱和通常是不可取的,但磁放大器利用了这种效应。

从物理上讲,磁放大器是围绕一个容易饱和的金属材料核心构建的,通常是一个环或方形环,周围有一根电线。也缠绕在铁芯周围的第二根导线形成控制绕组。控制绕组包括多匝导线,因此通过通过相对较小的直流电流,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:当饱和时,它让主绕组中的交流电流畅通无阻地通过;当不饱和时,它会阻止该电流。发生放大是因为相对较小的直流控制电流可以修改大得多的交流负载电流。

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,这是通过一项称为 亚历山大森交流发电机的发明来实现的,该发明产生了一种大功率、高无线电发射器的频率交流电。一个磁放大器根据要传输的语音信号的强度 调制发射器的输出。

在 1920 年代,真空管的改进使得 Alexanderson 交流发电机和磁放大器的组合过时。这使得磁放大器只能发挥次要作用,例如剧院中的调光器。

德国后来在磁放大器方面的成功很大程度上取决于先进磁性合金的发展。由这些材料制成的磁放大器可在开启和关闭状态之间快速切换,从而提供更好的控制和效率。然而,这些材料对杂质、晶体尺寸和方向的变化,甚至机械应力都非常敏感。所以他们需要一个严格的制造过程。

1943 年开发的性能最佳的德国材料被称为 Permenorm 5000-Z。它是一种极纯的 50/50 镍铁合金,在部分真空下熔化。然后将金属冷轧成纸一样薄,并缠绕在非磁性形式上。结果类似于一卷胶带,胶带由薄薄的 Permenorm 金属构成。卷绕后,模块在氢气中在 1,100 °C 下退火 2 小时,然后快速冷却。这一过程使金属晶体定向,使其表现得像一个具有均匀特性的大晶体。只有在完成此操作后,才能将电线缠绕在核心上。

到 1948 年,位于马里兰州的美国海军军械实验室 的科学家们 已经找到了制造这种合金的方法,该合金很快被一家名为 Arnold Engineering Co. 的公司以 Deltamax 的名义销售。这种磁性材料在美国的出现重新激发了人们对磁性放大器的热情,它可以承受极端条件并且不会像真空管那样烧坏。因此,磁放大器在苛刻的环境中找到了许多应用,特别是军事、太空和工业控制。

在 1950 年代,美国军方在自动驾驶仪、火控设备、伺服系统、雷达和声纳设备、 RIM-2 Terrier 地对空导弹和许多其他角色中使用磁放大器。

1951 年的一份海军训练手册详细解释了磁放大器——尽管对他们的历史持防御态度:“许多工程师认为是德国人发明了磁放大器;实际上它是美国的发明。德国人只是拿走了我们比较简陋的设备,提高了效率和响应时间,减轻了重量和体积,扩大了它的应用领域,然后还给了我们。”

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·谢泼德送入太空的 红石火箭使用了磁放大器。在 1960 年代和 70 年代的阿波罗登月任务中,磁放大器控制电源和风扇。那个时代的卫星使用磁放大器进行信号调节、电流感应和限制以及遥测。甚至航天飞机也使用磁放大器来调暗荧光灯。

磁放大器也用于红石火箭,就像这里展示的宇航员约翰·格伦、维吉尔·格里森和艾伦·谢泼德后面的那个。

磁放大器在工业控制和自动化领域也得到了广泛应用,许多包含它们的产品都以通用电气的 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)等品牌销售.

然而,二战期间德国开发的磁性材料对计算机行业产生了战后最大的影响。在 1940 年代后期,研究人员立即认识到新磁性材料存储数据的能力。圆形磁芯可以逆时针或顺时针磁化,存储 0 或 1。具有所谓的矩形磁滞回线可确保材料在断电后保持在这些状态之一的固态磁化。

研究人员很快就从密集的磁芯网格中构建了所谓的核心存储器。这些技术人员很快就从使用缠绕金属磁芯转向使用铁氧体制成的磁芯,铁氧体是一种含有氧化铁的陶瓷材料。到 1960 年代中期,随着制造成本下降到每个磁芯不到 1 美分,铁氧体磁芯被淘汰。

但核心存储器并不是磁性材料对早期数字计算机产生影响的唯一地方。从 1940 年代开始,这些机器的第一代使用真空管进行计算。这些在 1950 年代后期被基于晶体管的第二代计算机取代,随后是由集成电路构建的第三代计算机。

但事实上,计算方面的技术进步并不是这样线性的。早期的晶体管并不是一个明显的赢家,并且开发了许多其他替代品。磁放大器是几代人之间被遗忘的几种计算技术之一。

这是因为 1950 年代初的研究人员意识到磁芯不仅可以保存数据,还可以执行逻辑功能。通过在磁芯周围放置多个绕组,可以组合输入。例如,相反方向的绕组可能会抑制其他输入。复杂的逻辑电路可以通过以各种方式将这些核心连接在一起来实现。

磁放大器如何放大


磁放大器利用了这样一个事实,即在感应线圈的铁芯中存在可磁化材料[tan]会增加其阻抗。通过从线圈中物理取出磁性材料来减少磁性材料的影响会降低其阻抗,从而允许更多的电力流向交流负载。

可磁化材料的影响,这里采用环形磁芯 [tan] 的形式,可以通过使用第二个线圈 [环形磁芯左侧] 施加直流偏置来改变。施加足以迫使材料进入饱和状态的直流偏置电流——在这种状态下,它不能变得更加磁化——在功能上等同于从线圈中去除材料,从而允许更多的电力流向交流负载。

更现实的电路将包括两个反向缠绕的交流线圈,以避免在控制绕组中感应电流。它还包括二极管,此处显示为桥式配置,允许电路控制直流负载。反馈线圈[未显示]可用于增加放大。

1956 年, Sperry Rand 公司开发了一种称为Ferractor的高速磁放大器,能够以几兆赫兹的频率运行。每个 Ferractor 都是通过在 0.1 英寸(2.5 毫米)非磁性不锈钢线轴上缠绕十多圈八分之一密尔(约 3 微米)坡莫合金带制成的。

Ferractor 的性能是由于这种胶带非常薄以及线轴的微小尺寸。Sperry Rand 在名为 Univac Magnetic Computer 的军用计算机中使用了 Ferractor,该计算机也被称为空军剑桥研究中心 (AFCRC) 计算机。这台机器包含 1,500 个 Ferractors 和 9,000 个锗二极管,以及一些晶体管和真空管。

Sperry Rand 后来基于 AFCRC 计算机创建了商用计算机:Univac Solid State(在欧洲称为 Univac Calculating Tabulator),随后是较便宜的 STEP(简单转换电子处理)计算机。尽管 Univac Solid State 并没有完全辜负它的名字——它的处理器使用了 20 个真空管——但它的受欢迎程度适中,仅售出数百个。

Sperry Rand 的另一个部门制造了一台名为 Bogart的计算机,以帮助美国国家安全局进行密码破译。

这台相对较小的计算机之所以得名,是因为它在加密数据被 NSA 的大型计算机处理之前对其进行了编辑。

1957 年至 1959 年间,五台 Bogart 计算机被交付给 NSA。它们采用了由Seymour Cray 设计的新型磁放大器电路 ,后者后来创造了著名的 Cray 超级计算机。据报道,在他的数十项专利中,克雷最自豪的是他的磁放大器设计。

然而,基于磁放大器的计算机并不总是那么好用。例如,在 1950 年代初期,瑞典亿万富翁实业家 Axel Wenner-Gren创建了一系列真空管计算机,称为 ALWAC(Axel L. Wenner-Gren 自动计算机)。1956 年,他告诉美国联邦储备委员会,他可以在 15 个月内交付磁放大器版本 ALWAC 800。在美国联邦储备委员会支付 231,800 美元后,计算机的开发遇到了工程困难,项目以彻底失败告终。

当然,1950 年代晶体管的进步导致了使用磁放大器的计算机的衰落。但有一段时间,尚不清楚哪种技术更优越。例如,在 1950 年代中期,Sperry Rand 正在为Athena的磁放大器和晶体管进行辩论 ,这是一台用于控制泰坦核导弹的 24 位计算机. Cray 制造了两台等效的计算机来直接比较这些技术:Magstec(磁性开关测试计算机)使用磁放大器,而 Transtec(晶体管测试计算机)使用晶体管。尽管 Magstec 的性能稍好一些,但晶体管显然是未来的潮流。因此,Sperry Rand 用晶体管制造了 Univac Athena 计算机,将磁放大器降级为计算机电源内部的次要功能。

在欧洲,晶体管也在与磁放大器展开较量。例如,英国Ferranti的工程师为他们的计算机开发了磁放大器电路。但他们发现晶体管可以提供更可靠的放大,因此他们将磁放大器替换为与晶体管结合使用的变压器。他们将此电路称为神经元,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 Ferranti 的 Sirius 和 Orion 商用计算机的核心。

另一个例子是 1958 年的波兰 EMAL-2 计算机,它使用磁芯逻辑和 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。它结构紧凑但速度慢,每秒只执行 150 次左右的操作。

而在苏联,1954 年的 15 位LEM-1 计算机使用了 3,000 个铁氧体逻辑元件(以及 16,000 个硒二极管)。它每秒可以执行 1,200 次加法。

在法国,磁放大器用于 CAB 500(Calculatrice Arithmétique Binaire 500),于 1960 年出售给一家名为 Société d'Electronique et d'Automatisme (SEA) 的公司用于科学和技术用途。这台 32 位桌面大小的计算机使用称为 Symmag 的磁性逻辑元件,以及晶体管和真空管电源。除了使用 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具有复杂形状的多孔径核心来实现逻辑功能。1959 年,贝尔实验室的工程师开发了一种称为 Laddic的梯形磁性元件,它通过在不同的“梯级”周围发送信号来实现逻辑功能。该装置后来被用于一些核反应堆安全系统。

沿着这些思路的另一种方法是称为 Biax 逻辑元件的东西- 一个沿两个轴有孔的铁氧体立方体。另一个被称为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径磁性设备为美国空军制造了全磁性逻辑计算机。道格·恩格尔巴特( Doug Engelbart)以发明鼠标和大部分现代计算机用户界面而闻名,他是这台计算机的关键工程师。

当时的一些计算机将晶体管与磁芯结合使用。这个想法是尽量减少当时昂贵的晶体管的数量。这种称为核心晶体管逻辑 (CTL) 的方法被用于英国 Elliott 803计算机,这是一个 1959 年推出的小型系统,具有不同寻常的 39 位字长。1960 年的Burroughs D210磁性计算机是一款仅重 35 磅(约 16 公斤)的紧凑型计算机,专为航空航天应用而设计,也使用核心晶体管逻辑。
这张来自 1966 年 IBM System/360 [顶部] 的板显示了机器的一些磁芯存储器,它使用了小的铁氧体环,电线穿过这些铁氧体环 [底部]。

核心晶体管逻辑在空间应用中特别受欢迎。一家名为 Di/An Controls 的公司生产了一系列逻辑电路,并声称“大多数太空飞行器都装有它们”。该公司的 Pico-Bit 是一种具有竞争力的核心晶体管逻辑产品,在 1964 年被宣传为“你在太空中最好的比特”。美国宇航局阿波罗制导计算机的早期原型是 用核心晶体管逻辑构建的,但 1962 年,麻省理工学院的设计师冒险转向集成电路。

甚至一些“完全晶体管化”的计算机也到处使用磁放大器。1958 年的 MIT TX-2使用它们来控制其磁带驱动电机,而1959 年推出的IBM 7090和 1964 年推出的流行的 IBM System/360大型机使用磁放大器来调节其电源。Control Data Corp. 1960 年的160 小型计算机在其控制台打字机中使用了磁放大器。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,但它们被用来驱动其核心存储器。

1950 年代,美国海军的工程师称磁放大器为“一颗冉冉升起的新星”和“战后电子学的奇迹”之一。直到 1957 年,仍有 400 多名工程师参加了关于磁放大器的会议。但在 1960 年代晶体管和其他半导体接管时,对这些设备的兴趣稳步下降。

然而,在每个人都认为这些设备注定要成为历史的尘埃很久之后,磁放大器找到了新的应用。在 1990 年代中期,个人计算机的 ATX标准需要一个经过仔细调节的 3.3 伏电源。事实证明,磁放大器是控制该电压的一种廉价而有效的方法,使磁放大器成为大多数 PC 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:DC-DC 稳压器在很大程度上取代了现代电源中的磁放大器。

总而言之,磁放大器的历史跨越了大约一个世纪,随着它们的流行,然后多次消亡。你很难在今天生产的电子硬件中找到一个磁放大器,但也许一些新的应用——可能用于量子计算或风力涡轮机或电动汽车——将再次为它们注入活力。

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