放大器时代

# 放大器的时代 来源：https://www.construction-physics.com/p/the-age-of-the-amplifier [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!qS8c!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2Fba7b2204-28fe-40e5-9588-bae7cad19da4_1920x1530.png)威廉·肖克利、约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿，因对“晶体管效应”的研究而获得1956年诺贝尔奖。图片来自维基百科 (https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor)。 正如我们之前多次提到过的（[更多](https://www.construction-physics.com/p/what-would-it-take-to-recreate-bell) [不止一次](https://www.construction-physics.com/p/the-influence-of-bell-labs) [多次](https://www.construction-physics.com/p/building-the-bell-system) [几次](https://www.construction-physics.com/p/the-surprisingly-long-life-of-the) [提到](https://www.construction-physics.com/p/the-long-road-to-fiber-optics) [之前](https://www.construction-physics.com/p/how-bell-labs-won-its-first-nobel)），在20世纪的大部分时间里，AT&T的贝尔实验室是美国首屈一指的工业研究实验室。作为其提供普遍电话服务的一部分工作，贝尔实验室产生了众多改变世界的发明，并积累了比任何其他工业研究实验室都多的诺贝尔奖。1 (https://www.construction-physics.com/p/the-age-of-the-amplifier#footnote-1)但其中最重要的技术贡献，其用途远远超出了贝尔系统本身的范围。 例如，统计过程控制 (https://en.wikipedia.org/wiki/Statistical_process_control) 是由AT&T工程师沃尔特·休哈特发明的，目的是改进供应商西部电气公司制造AT&T电气设备的过程。自那以后，这些方法被成功应用于各种制造业，从喷气发动机 (https://www.moeller-aerospace.com/how-statistical-process-control-enhances-quality-in-aerospace-manufacturing/) 到半导体再到集装箱船。 有趣的是，AT&T一些最重要的技术贡献——即真空管 (http://construction-physics.com/p/the-surprisingly-long-life-of-the)、负反馈放大器、晶体管和激光——（全部或部分地）是制造新型、更好的放大器以增强电磁信号的成果。放大器在贝尔系统中发挥了至关重要的作用，使得（除其他外）能够远距离连接电话，但这四种放大器的价值远远超出了电话领域。在20世纪上半叶，真空管成为电子产品的重要组成部分，用于从无线电到电视再到早期计算机的一切设备。负反馈放大器催生了控制理论学科，如今用于几乎所有自动化机器的设计。晶体管是现代数字计算及其一切上层建筑的基础。而激光则用于从光纤通信到工业切割机到条形码扫描仪再到打印机的各种设备。 值得探讨的是，为什么AT&T如此有动力去制造越来越好的放大器，以及为什么这些努力产生了如此多的变革性发明。 1876年，亚历山大·格拉汉姆·贝尔拨打了世界上第一通电话，从另一个房间召唤他的助手托马斯·沃森。到1881年，贝尔的公司——贝尔电话公司（直到1899年才更名为美国电话电报公司，即AT&T）已有10万名客户。到世纪之交，AT&T在美国运营着1300个电话交换局，用200万英里的电线连接了超过80万名客户。 贝尔系统的目标是“普遍服务”——将系统中每个电话用户与每个其他电话用户连接起来。但到了20世纪初，这一追求开始遇到技术限制。 电话将说话的声音转换成电信号，通过电线传输，直到到达另一端的电话机，在那里再转换回声音。更具体地说，在早期的电话中，说话的声音会压缩和减压一个充满碳粒的腔室，从而改变它们的电阻，进而改变通过它们的电流。在另一端，电流流经一个电磁铁，拉动一个薄铁膜片；电流的波动改变膜片的运动，从而重现语音。 但是电信号传输得越远，衰减就越严重。电线本身的电阻会将一部分电能转化为热量，而且电流可能会在相邻的电话线之间“泄漏”。随着电信号越来越弱，重现时的声音会变得越来越不清晰，直到完全听不见。如果AT&T想提供普遍服务，就需要一种方法来维持电信号在长距离传输中的强度。 AT&T部分地通过加载线圈解决了这个问题，这是电气工程师迈克尔·普平的发明。（添加了加载线圈的线路有时被描述为“普平化”。）加载线圈为电话线路增加了电感（抵抗电流变化的倾向），从而减少了信号衰减。结果，加载线圈大约将 (https://www.semanticscholar.org/paper/The-Introduction-of-the-Loading-Coil:-George-A.-and-Brittain/a315012659891dd1808616a460134fabe0dc2fa4) 电话通话的有效距离限制翻了一番，从大约1000-1200英里提高到接近2000英里。但加载线圈只是减少了信号衰减；信号在沿着线路传输时仍然在衰减，只是速度更慢。如果没有某种方法实际地放大电话信号，电话线路的最大距离足以连接纽约和丹佛，但不足以从纽约到达西海岸并连接整个国家。 AT&T试验了各种机械放大器，它们将电信号转换成机械运动，然后再转换回电信号，但这些被发现会极大扭曲信号，并未得到广泛应用。所需要的是电子放大器，它可以直接放大电信号，避免了机械转换带来的损耗和失真。1911年，AT&T成立了一个专门的研究分支来解决长途传输问题，并聘请了年轻的物理学家哈罗德·阿诺德（后来成为贝尔实验室的第一位研究主任）来研究可能基于“电子新物理”的放大器。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!esBH!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F9725de1c-273d-443e-be13-4609a8847b14_250x170.png)电子放大：蓝色是输入信号的电压，随时间变化。红色是输出信号的放大电压。该放大器的增益为三：输出电压是输入电压的三倍。电流的放大也可以类似进行。图片来自维基百科 (https://en.wikipedia.org/wiki/Amplifier)。 起初，阿诺德并没有取得太大成功。他研究了一系列可能的放大技术，并广泛试验了汞放电管（最初似乎很有希望），但似乎没有一种符合AT&T的要求。但在1912年，阿诺德了解到一种名为奥丁管的新型有前途的放大器，它是由美国发明家李·德·福雷斯特带给AT&T的。德·福雷斯特的奥丁管又基于英国物理学家安布罗斯·弗莱明的发明，即“弗莱明阀 (https://en.wikipedia.org/wiki/Fleming_valve)”。弗莱明受到对所谓“爱迪生效应”的广泛实验的启发：观察到在白炽灯泡中，电流会从加热的灯丝流向附近的金属板。弗莱明利用这一效应制造了二极管，一种允许电流单向流动的设备。德·福雷斯特修改了弗莱明的阀门，在灯丝和板之间增加了一个第三个元件，即金属栅极。通过改变金属栅极的电压，德·福雷斯特最终发现他可以控制从灯丝流向板子的电流。这使得该设备能够充当放大器：电压的微小变化可以在从灯丝流向板子的电流中产生大得多的变化。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!CDWo!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2Fb3f38d1c-7aa2-4506-b0a1-6d83591326f7_1242x1044.png)使用奥丁管构建的无线电接收器，图片来自维基百科 (https://en.wikipedia.org/wiki/Audion)。 德·福雷斯特的奥丁管性能不均匀——尤其是它无法处理电话线路所需的能量水平。此外，很明显德·福雷斯特并不完全理解该设备的工作原理 (https://books.google.com/books?hl=en&lr=&id=fXwOEAAAQBAJ&oi=fnd&pg=PR7&dq=de+forest+didn%27t+know+why+audion+worked&ots=Vo2yYedjIR&sig=mVS2nkV5CqswjAVsikLa2Jxr5AA#v=onepage&q=inability%20to%20understand&f=false)。但精通电子物理的阿诺德认识到了它的潜力，并意识到通过修改可以克服其各种局限性。来自《连续波》，一本早期无线电的历史： > *阿诺德确切地知道如何处理奥丁管的局限性。“我建议我们把它做得更大，增加板子的尺寸，相应增加栅极的尺寸，但特别在当时，我建议我们从灯丝中得不到足够的电子。”他想要做的，实际上是把德·福雷斯特的奥丁管转换成一种不同的设备。他想要在管子里实现高得多的真空度，尽可能地消除残留气体；他知道新发明的盖德分子真空泵使之成为可能。他想要在不增加灯丝电压的情况下获得更多的电子发射；他知道维内尔特的新型氧化物涂层灯丝可以做到这一点。* 在支付了5万美元（大约相当于2026年的160万美元）买下奥丁管权利后，阿诺德和AT&T的其他人在接下来的一年里将其转变为一种实用的电子放大器：三极真空管。到1914年6月，真空管放大器被安装在连接纽约和旧金山的跨大陆电话线路上，1915年1月，这条横贯大陆的线路在巴拿马-太平洋国际博览会上开通，由亚历山大·格拉汉姆·贝尔在纽约和托马斯·沃森在旧金山通话。到20世纪20年代末，AT&T在其电话系统中使用了超过10万个真空管，三极管及其后代（四元四极管、五元五极管）将继续用于各种电子设备，从收音机到电视再到第一代数字计算机。 [](https://substackcdn.com/image/fetch/$s_!9S1C!,f_auto,q_auto:good,fl_progressive:steep/https%3A%2F%2Fsubstack-post-media.s3.amazonaws.com%2Fpublic%2Fimages%2F4d6b3e45-07f3-4f9e-8b3d-948984baa498_826x942.png)图片来自 Hong 2001。 真空管具有放大电子信号的能力，这代表了AT&T工程师对电话服务思考方式的巨变。在电子放大器出现之前，电话通话本质上是一股逐渐减小的电磁能量流。这股能量的范围可以从说话者那里延伸得越来越远，但代价是保真度的急剧下降。放大器使得可以将电话通话视为一股信息流，作为一个与承载它的介质不同的信号。它可以被有效地更新、转换、以新的激动人心的方式修改。正如历史学家大卫·明德尔所指出的 (https://web.mit.edu/esd.83/www/T&C%20Article.pdf)： > *……一个可工作的放大器可以在任何一点更新信号，从而在复杂的操作中维持它，使得长串的滤波器、调制器和传输线成为可能。电线中的电力仅仅是消息的载体，而不是电源，从而开启了通信的新思维方式……消息不再是媒介，现在它是一个可以被理解和按其自身方式操作、独立于其物理体现的信号。* 得益于真空管放大器，AT&T终于可以实现其普遍电话服务的梦想，将美国本土任何地方的电话相互连接起来。但真空管远非完美的放大器。理想的放大器具有输入和输出之间的线性关系，有效地将输入电流或电压乘以某个值。如果这种关系是非线性的，某些输入会被乘得更多，信号就会失真。这种失真可能会使语音模糊不清，并且在承载多个电话通话的电线上，会产生串音，一个电话通话的语音会被另一个听到。 真空管是比之前任何放大器都优越的放大器，但它不是完美的线性放大器；它的放大曲线更像S形，对低值信号欠放大，对高值信号过放大。对于承载单一电话通话的线路，可以通过将输入限制在曲线的线性部分来减轻由此产生的失真，但随着AT&T采用载波调制 (https://en.wikipedia.org/wiki/Carrier_wave)——在单一线路上以不同频率承载多路通话——失真变得更加严重。 1921年，23岁的电气工程师哈罗德·布莱克加入了AT&T。他很快撰写了一份报告，分析了一条承载数千个载波调制通话的跨大陆电话线路的未来潜力。当时，载波调制最多用于在一根线路上承载三路通话。布莱克的分析表明，这样一条线路需要一个失真远低于现有真空管的放大器，于是布莱克开始着手开发一种改进的放大器作为副项目。 起初，布莱克只是试图制造失真更小的真空管，这也是AT&T许多其他人正在进行的项目。布莱克和其他人的努力制造出了更高质量的真空管，但布莱克尝试的任何方法都没有将失真降低到他期望的程度。 经过两年的失败，布莱克决定转变方向；与其一次又一次地试图制造一个完美的线性放大器，他宁愿接受他制造的任何放大器可能都不完美，而是找到一种方法来消除它引入的失真。 布莱克首先尝试通过从放大器输出中减去输入信号，只留下失真，然后放大该失真并从输出信号中减去它。这种方法——前馈放大器——可行，但效果不佳。它需要两个放大器（一个用于原始信号，一个用于失真），且它们的放大特性必须非常精确地匹配，并且在一段很宽的频率范围和较长的时间内保持这种对准非常困难。正如布莱克后来指出的 (https://wiki.epfl.ch/me412-emem-2020/documents/06501721.pdf)： > *例如，每小时——每天24小时——有人必须将灯丝电流调整到正确的值。在这样做时，他们允许放大器增益有正负0.5到1分贝的变化，而为了我的目的，增益必须绝对完美。此外，每六个小时就需要调整B电池电压，因为放大器增*