磁放大器如何实现放大功能（磁放大器原理）

20 世纪50 年代和1960 年代见证了磁放大器的复兴，在此期间它们被广泛应用于航空航天和其他行业。它们甚至出现在一些早期的固态数字计算机中，然后完全让位于晶体管。如今，这段历史几乎被遗忘。因此，本文将讲述一个关于磁放大器鲜为人知的故事。

**根据其定义，**放大器是一种允许小信号控制大信号的设备。老式三极真空管通过向其栅极施加电压来实现这一点。现代场效应晶体管通过向其栅极施加电压来实现这一点；磁放大器是电磁控制的。

要了解其工作原理，请从一个简单的电感器开始，例如缠绕在铁棒上的电线。这种电感器通常会阻止交流电流流过电线。这是因为当电流流动时，线圈会产生集中在铁棒中的交变磁场。这种变化的磁场会在电线中产生感应电压，从而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，铁棒将达到饱和状态，使得铁不会变得比原来更磁化。当这种情况发生时，电流几乎毫无阻碍地流过线圈。饱和通常不容易实现，但磁放大器利用了这种效应。

从物理上讲，磁放大器是围绕易于饱和的金属芯材料构建的，通常是一个环形或矩形环，周围缠绕有电线。第二根导线也缠绕在金属芯上，形成控制绕组。控制绕组由多匝导线组成，因此通过相对较小的直流电流可以迫使磁芯进入或脱离饱和状态。

因此，磁放大器的作用就像一个开关。饱和时，允许主绕组中的交流电流无阻碍地通过；当它不饱和时，它会阻止电流。发生放大是因为相对较小的直流控制电流可以改变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，大型磁放大器已被用于跨大西洋无线电话，这得益于一项名为“亚历山大森交流发电机”的发明。该发电机产生用于无线电发射器的高功率、高频交流电。磁放大器根据要发送的语音信号的强度来调制发送器的输出。

在20 年代，真空管得到改进，亚历山大森交流发电机和磁放大器组合变得过时。磁放大器的用途较少，仅限于剧院等场所的调光器。

德国随后在磁放大器方面的成功很大程度上依赖于先进磁性合金的开发。由这些材料制成的磁性放大器可以在开和关状态之间快速切换，从而实现更好的控制并提高效率。然而，这些材料对杂质、晶体尺寸和取向的变化，甚至机械应力非常敏感。因此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，这种金属被冷轧，直到它像纸一样薄，并包裹在非磁性结构上。由此产生的材料类似于一卷由薄Permenorm 金属制成的胶带。卷绕后，模块在1,100 摄氏度的氢气中退火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。只有完成这一步后，才能将线材缠绕在金属芯上。

1948 年，马里兰州的科学家找到了一种制造这种合金的方法，该合金很快就由阿诺德工程公司以Deltamax 的名称进行销售。这种磁性材料在美国的出现，重新点燃了人们对磁放大器的热情。磁放大器可以承受极端条件而不会像真空管一样烧坏，因此可以在恶劣的环境中使用，特别是在太空和工业控制中。

由于其可靠性，磁放大器也被美国太空计划广泛使用。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1970 年代的阿波罗登月期间，电源和风扇由磁放大器控制。当时的卫星使用磁放大器进行信号调节、电流传感和限制以及遥测。甚至航天飞机也使用磁放大器来调暗荧光灯。

此外，磁放大器还广泛应用于工业控制和自动化领域。市场上的品牌有通用电气的Amplistat、CGS实验室的Incredctor、西屋公司的Cypak（控制论封装）和Librascope的Unidec（通用决策元件）等。有些产品包含磁放大器。

**磁性材料也对计算机行业产生了很大的影响。 **20 世纪40 年代末，研究人员发现新型磁性材料具有存储数据的能力。圆形磁芯可以逆时针或顺时针磁化，从而存储0或1。矩形磁滞回线确保材料在断电后保持稳定的磁化状态。

然后，研究人员用密集的磁芯网格构建了核心存储器。这些技术人员很快就从使用缠绕金属磁芯转向使用铁氧体（一种含有氧化铁的陶瓷材料）制成的磁芯。到了20 世纪60 年代中期，随着单个磁芯的制造成本降至不足1 美分，铁氧体磁芯逐渐失宠。

但磁性材料不仅仅对早期数字计算机的存储核心产生影响。从20 世纪40 年代开始，第一代机器使用真空管进行计算。 20 世纪50 年代末，基于晶体管的第二代计算机取代了第一代计算机，随后出现了由集成电路构建的第三代计算机。

事实上，计算机技术的进步并不是线性的。早期的晶体管并不是明显的赢家，许多其他替代品也被开发出来。磁放大器是几代计算机之间基本上被遗忘的几种计算技术之一。

这是因为在20 世纪50 年代初，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。通过在磁芯上缠绕多个绕组，可以组合输入。例如，沿相反方向缠绕可能会抑制其他输入。通过以各种方式将这些核心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Feractor 的高速磁放大器，其工作频率可达数兆赫兹。每个铁氧体磁性放大器都是通过在0.1 英寸（2.5 毫米）非磁性不锈钢线轴上缠绕12 匝1/8 密耳（约3 微米）坡莫合金带制成的。

铁氧体磁放大器的特性归因于非常薄的磁带和较小的线轴尺寸。 Sperry Rand 在名为Univac 的磁计算机（也称为空军剑桥研究中心(AFCRC) 计算机）中使用了铁氧体磁放大器。该机器包含1,500 个铁氧体磁放大器和9,000 个锗二极管，以及许多晶体管和真空管。

Sperry Rand 后来在空军剑桥研究中心计算机的基础上制造了商用计算机，首先是Univac 固态计算机（在欧洲称为Univac 计算制表机），后来是更便宜的STEP（简单转换电子处理）计算机。虽然Univac固态计算机不太名副其实（它的处理器使用了20个真空管），但它还是比较受欢迎，售出了数百台。

斯佩里兰德的另一个部门制造了一台名为博加特的计算机。该计算机以著名的《纽约太阳报》编辑约翰博加特的名字命名。由汉弗莱汉弗莱斯主演的《卡萨布兰卡》和《最后一个人》的粉丝可能会感到失望。汉弗莱鲍嘉。

然而，基于磁放大器的计算机的发展并不总是一帆风顺。例如，20 世纪50 年代初，瑞典实业家兼亿万富翁Axel Wenner-Gren 制造了一系列真空管计算机，他称之为ALWAC。 1956 年，他告诉美联储，他可以在15 个月内推出磁放大器版本ALWAC 800。美联储支付231,800美元后，计算机开发遇到工程困难，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，还不清楚哪种技术更优越。例如，20世纪50年代中期，兰德公司正在争论在24位计算机Athena中是否使用磁放大器或晶体管。为了比较这两种技术，Cray 构建了两台等效的计算机：使用磁放大器的磁开关测试计算机(Magstec) 和使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的性能稍好一些，但很明显晶体管是未来的潮流。因此，兰德公司用晶体管建造了Univac Athena 计算机，并使用磁放大器实现计算机电源内部的辅助功能。

在欧洲也是如此，晶体管也在与磁放大器竞争。例如，英国Ferranti 公司的工程师为他们的计算机开发了磁放大器电路。但他们发现晶体管提供了更可靠的放大功能，因此他们用变压器和晶体管取代了磁放大器。他们将该电路称为“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。神经元构成了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，但速度较慢，每秒仅执行约150 次操作。

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 次加法运算。

在法国，CAB 500 使用磁放大器。该产品由一家名为Socit d’Electronique et d’Automatisme (SEA) 的公司于1960 年出售，用于科学和技术目的。这款桌面大小的32 位计算机使用称为Symmag 的磁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（公式自动编程）进行编程外，CAB 500 还可以用作桌面计算器。

这个时代的一些计算机使用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名为Laddic 的梯形磁性元件，它通过围绕不同“梯级”发送信号来执行逻辑功能。该装置后来被用于一些核反应堆安全系统。

另一种方法是Biax 逻辑元件，它是一个沿两个轴带有孔的铁氧体立方体。另一种是透通量器，它有两个圆形开口。 1961年左右，斯坦福研究所的工程师利用这种多孔磁性装置制造了全磁逻辑计算机。该计算机的核心工程师是道格恩格尔巴特（Doug Engelbart），他后来因发明鼠标和许多现代计算机用户界面而闻名。

当时的一些计算机使用晶体管和磁芯的组合。这个想法是为了减少当时昂贵的晶体管数量。这种方法称为核心晶体管逻辑(CTL)，用于英国Elliott 803 计算机，这是1959 年推出的小型系统，具有独特的39 位字长。 1960 年的Burroughs D210 磁计算机是一台小型计算机，重量仅为35 磅（约16 公斤）。它是为航空航天应用而设计的，也使用了磁芯晶体管逻辑。

磁芯晶体管逻辑特别适合空间应用。一家名为Di/An Controls 的公司生产一系列逻辑电路，声称“大多数航天器都使用这些电路”。该公司的Pico-Bit 是一款磁芯晶体管逻辑产品，于1964 年被宣传为“太空中最好的产品”。 NASA 阿波罗制导计算机的早期原型是使用磁芯晶体管逻辑构建的，但在1962 年，麻省理工学院的设计人员冒险转向集成电路。

甚至一些“完全晶体管化”的计算机也使用了磁放大器。 1958年麻省理工学院的TX-2使用磁放大器来控制其磁带驱动电机，1959年推出的IBM 7090和1964年推出的流行的IBM System/360大型机都使用磁放大器来调节功率。 Control Data Corp. 的1960 年Model 160 小型计算机也在其控制台打字机中使用了磁放大器。尽管磁放大器对于1960 年Univac LARC 超级计算机中的逻辑电路来说太慢，但它们仍被用来驱动其磁芯存储器。

**20世纪50年代，**美国工程师将磁放大器称为“一颗冉冉升起的新星”。 1957年，400多名工程师参加了磁放大器会议。但随着晶体管和其他半导体取代磁放大器相关设备，人们对磁放大器相关设备的兴趣在20 世纪60 年代逐渐消退。

但就在每个人都认为这些设备注定要成为历史的时候，磁放大器发现了新的用途。 20 世纪90 年代中期，个人电脑的ATX 标准需要精确调节的3.3 伏电源。磁性放大器被证明是控制该电压的一种廉价而有效的方法，使其成为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，DC-DC 稳压器在现代电源中已经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，从流行、复兴到最终的停滞。尽管如今生产的电子硬件中包含磁放大器的很少，但也许一些新应用（量子计算、风力涡轮机或电动汽车）将再次为它们注入新的活力。

审稿人：刘庆