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实验室资讯网时间:2018-10-11 点击: 百度搜索

【导读】爱迪生在发明电灯后,苦于寻找一种碳纤维灯丝的替代材料,因为这种灯丝的寿命太短。1883年,爱迪生突发奇想,在灯丝中封入一个铜丝,也许能阻止碳纤维灯丝的蒸发。然而试验下来,灯丝蒸发如故,爱迪生却发现了一个奇怪的现象并不连接的碳丝和灯丝,在碳丝加热发光后,竟然有微弱的电流流过。......
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爱迪生在发明电灯后,苦于寻找一种碳纤维灯丝的替代材料,因为这种灯丝的寿命太短。1883年,爱迪生突发奇想,在灯丝中封入一个铜丝,也许能阻止碳纤维灯丝的蒸发。然而试验下来,灯丝蒸发如故,爱迪生却发现了一个奇怪的现象——并不连接的碳丝和灯丝,在碳丝加热发光后,竟然有微弱的电流流过。爱迪生觉得这是一个不可思议的现象,于是他对此声明了专利,并命名为“爱迪生效应”,然而爱迪生并没有发觉他的发现有什么应用价值,申请专利后就不再研究了。

在大洋彼岸,另一位青年工程师约翰·弗莱明正在为马可尼公司设计无线电接收机,弗莱明曾经在爱迪生电光公司工作过,爱迪生曾经向他提起过“爱迪生效应”。在他为马可尼公司设计检波器时,想到可以利用“爱迪生效应”进行包络检波。于是他改进了装置,在真空玻璃管内封装入两个金属片,给阳极板加上高频交变电压后,出现了爱迪生效应,在交流电通过这个装置时被变成了直流电。弗莱明把这种装有两个电极的管子叫作真空二极管,它具有整流和检波两种作用,这是人类历史上第一只电子器件。后来弗莱明将此项发明用于无线电检波,并于1904年11月16日在英国取得专利。

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让我们把目光回到美国,1902年,一位叫李·德弗雷斯特的发明家在纽约泰晤士街租了间破旧的小屋,创办了德福雷斯特无线电报公司,一心一意想要发明出更先进的无线电检波装置。同时,他也要以自己的发明,向美国公众展示无线电应用前景。就在研究进展不太顺利的时候,英国弗莱明发明真空二极管的消息传来,像闪电一般照亮了他前行的道路。德福雷斯特的心里一定是这样想的——卧槽!还有这种操作。于是他立刻买来实验材料,组装好电路,灯丝点亮后,果然出现了和弗莱明的发明一样的效果。

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然而,并没有满足于这个有趣的试验。他沉思了一会,突然抓起一根导线,弯成“Z”型,小心翼翼地把它安装到灯丝与金属屏板之间的位置。这根导线,或许他想用来同时接收灯丝发射的电子,或许还想派上其他什么用途。殊不知他装上的这根小小的导线,竟会影响到20世纪电子技术的发展进程。德福雷斯特极其惊讶地发现,Z型导线装入真空管内之后,只要把一个微弱的变化电压加在它的身上,就能在金属屏板上接收到更大的变化电流,其变化的规律完全一致——德福雷斯特发现的正是电子管的“放大”作用。后来,他又把导线改用像栅栏形式的金属网,于是,他的电子管就有了三个“极”——丝极、屏极和栅级,其中那个栅极承担着控制放大电信号的任务。1907年,德福雷斯特向美国专利局申报了真空三极管(电子管)的发明专利。

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然而,由于合伙人的欺骗,德福雷斯特的公司曾两度倒闭。1912年,他甚至无辜受到美国纽约联邦法院的传讯,有人控告他的公司推销积压产品,进行商业诈骗。愚昧的法官判决说,德福雷斯特发明的电子管是一个“毫无价值的玻璃管”。也许是压力产生的动力,德福雷斯特顶着随时可能入狱的压力,来到加利福尼亚旧金山附近的帕洛阿托小镇,坚持不懈地改进真空三极管。在爱默生大街913号小木屋,德福雷斯特把若干个三极管连接起来,与电话机话筒、耳机相互连接,再把他那只“走时相当准确的英格索尔手表”放在话筒前方,手表的“滴哒”声几乎把耳朵震聋。世界是第一个音频放大器在这里诞生了。

在德福雷斯特的故居,至今依然矗立着一块小小的纪念牌,以市政府名义书写着一行文字:李·德福雷斯特在此发现了电子管的放大作用。

这里也成为了电子工业开始的地方,在这里诞生了许多改变世界的发明和公司,这个叫帕洛阿托的小镇也许很多中国人都不熟悉,但是他的另一个名字大家一定都听过,那就是——硅谷。

大多数人都认为,电子技术的发展,经历了电子管、晶体管、集成电路、超大规模集成电路四个阶段的发展。其中电子管是真空器件,而从晶体管开始,进入了半导体时代。然而实际上,半导体在无线电领域的应用,远早于晶体管的发明,甚至早于电子管的发明。

早期的无线电接收机十分的简单,甚至不需要电源。这是美军早期生产的BC-14A型军用接收机,在一战时大量使用。

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这类接收机的核心器件是一个玻璃管子,里面有着一块小小的石头。这个器件就是大名鼎鼎的“矿石检波器”,又叫“猫须检波器”。矿石检波器的发明使无线电通信变得实用化,开始广泛的应用于商业和军事领域,在全世界范围内掀起了一股研究无线电技术的热潮,那时也被称为无线电技术的“恐龙时代”。直到今天,仍有遍布世界各地的爱好者热衷于制作矿石收音机,是业余无线电运动的重要组成部分。我国在上世纪60年代时,矿石收音机曾风靡一时,包括中学生在内的很多人都会组装,这些学生后来很多都走上了电子技术的道路,成为了80年代后电子工业领域的中坚力量。

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故事要从十九世纪,无线电发明之前说起。1874年卡尔·费迪南德·布劳恩(Karl Ferdinand Braun)发现了金属硫化物的单向导电性,这是人类第一次发现半导体的整流特性。1894年,贾格迪什·钱德拉·博斯(Jagadish Chandra Bose)利用方铅矿的单向导电性,制成了世界上第一个检波器——矿石检波器。十年后,在1904年马可尼发明无线电报之后,经过Henry H.C.Dunwoody和G.W.Pickard的改进,矿石检波器逐渐成熟,从此无线电技术开始实用化,走向了快速发展的道路。也正是无线电技术的飞速发展,衍生出了通信和电子技术,改变了当今世界。

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这里要重点说一下布劳恩这个人,他在无线电技术上有很多发明。他发明了调谐电路并改进了马可尼的无线电发射机;发现了硫化物的单向导电性,这后来用于无线电接收机,因此他于1909年与无线电报的发明者马可尼共享了当年的诺贝尔物理学奖。他最重要的发明是阴极射线管(CRT),为后来的示波器、电视、雷达、电子显微镜奠定了基础,这是在液晶显示技术出现之前最重要的显示部件。

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而博斯利用布劳恩的发现制成了矿石检波器(crystal detector),英文中通常叫:crystal detector ——猫须检波器。因为他是用一根细金属丝,与方铅矿进行接触,利用接触点的单向导电性进行检波的。当时人们并没有理解这个现象的内在机理,直到20世纪30年代,人们才意识到矿石检波器实际上是利用金属-半导体接触点形成的肖特基势垒具有的单向导电性进行检波的。

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如今新媒体是个时髦词,新媒体是数字化、网络化的新传播方式,用以区分报刊、广播、电视等传统媒体。而就像人们都有难忘的童年时代,曾几何时,广播和电视也曾是当时的新媒体。这一次,就让我们一起回顾一下无线电广播的诞生故事。

就像我们之前说过的,电子技术短暂的经历了半导体时代(矿石检波器)后,就转入了电子管的时代,直到1947年肖克利发明了晶体管才又转入了半导体时代。无线电通信也是一样,从短暂的数字时代进入了高速发展的模拟时代,后来又回到了数字时代。早期的无线电报实际上就是最原始的数字通信,将信息编码为一系列的“点”和“划”,通过电键控制火花振荡器的开闭,将信息调制到高频脉冲上。后面章节我们会介绍,这个其实就是ASK(幅移键控)调制,至今仍然广泛的应用于数字通信。但是在当时,这种通信方式无疑是不方便的,普通人难以使用,当时有线电话和有线广播早已发明,人们期待像电话一样通过无线的方式传递声音,很多人都在研究将声音通过无线电传输的方法,费森登就是其中一位。

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费森登(Fessenden,Reginald Aubrey 1866~1932)出生于加拿大魁北克省的米尔顿,费森登在十九世纪八十年代时曾是爱迪生手下的首席化学家,后来他又到了爱迪生的死对头——威斯汀豪斯手下工作。费森登名气虽然不大,但是他的发明专利无论是数量还是种类上都仅次于爱迪生,一生获得的专利达五百项之多。费森登最引入注目的发明就是他第一次实现了无线电波的调制传输,1906年12月25日,费森登在马萨诸塞州的布兰特罗克镇的国家电器公司128米高的无线电塔上进行了一次广播。广播的节目最主要的就是读《圣经》有关主耶稣基督降生的故事。另外还配有小提琴演奏曲,播送德国音乐家韩尔德所做的《舒缓曲》等。在演播前,他在报纸上进行了预告,并发出无线电报,通告报界和太平洋上的来往船只。那天晚上,太平洋船只的无线电发报员听到了小提琴和一位男子朗读圣经的声音。一般认为,这是世界上第一次成功的传声实验,并被公认为无线电声音广播诞生的标志,费森登也因此被称为“无线广播之父”。

然而费森登虽然最早实现了无线电广播,但是受限于当时的技术,无线广播还很不稳定,距离也不远,没有实现大规模应用。在费森登第一次无线电广播的同年,德弗雷斯特发明了“电子三极管”,前文我们曾经提到,电子三极管的发明可以认为是第三次科技革命的标志,因为只有当电子三极管的放大作用被发现后,电子技术史上影响深远的各类电路才被发明出来,电子技术才真正走向实用。在二十世纪初,无线通信和广播的出现无疑是电子技术发展的巨大推动力,在这时又一位天才发明家出现了,这就是埃德温·霍华德·阿姆斯特朗(Edwin Howard Armstrong)。

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1912年,还在哥伦比亚大学电子工程系读书的阿姆斯特朗就发明了“反馈振荡器”和“再生电路”。振荡器的发明,使产生特定频率的无线电波成为可能;而再生电路,利用正反馈原理,使信号的放大能力大大加强,显著提高了接收机的性能。再生电路因其性能好、结构简单,在一战和二战时都曾广泛应用。1918年,阿姆斯特朗又提出了“超外差接收机”,这是一个具有划时代意义的发明,这使得接收机的灵敏度、选择性都大大提高,使商业无线电广播成为可能,并且直到今天,超外差原理仍然广泛应用于各类接收机。

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超外差接收机的发明得益于电子管放大器和反馈振荡器的发明。我们知道,调幅(AM)广播信号是利用音频信号调制一个高频的载波信号得到的,高频的载波信号有利于发射,而音频信号携带信息,音频信号控制载波信号的幅度变化,这个就叫做幅度调制,简称“调幅”。而接收时,要从信号中去除载波信号,得到音频信号,送给耳机或音响,这个过程叫检波。

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早期的接收机,是将高频载波信号放大后,直接检波得到音频,这种方式对选频网络的灵敏度有很高的要求,并且受限于当时的技术条件,高频放大器难以有足够的增益。而超外差接收机则利用本机振荡器产生一个等幅正弦信号,与天线接收回来的调制信号进行混频,得到中频信号。这个中频信号低于载波又高于音频,当要接收不同载波频率(不同频道的电台)的调制信号时,只需改变本机振荡器的频率,就能在中频频率不变的情况下,选择到另一个频道的信号。这样,中频放大器就可以用高性能的窄带放大器来实现,并且用窄带的中频滤波器实现高选择性。经过中频放大器放大的中频信号得到了足够的增益后,再进行检波获得音频信号。

超外差技术使接收机的灵敏度大大提高,促成了美国商业无线广播的诞生。而无线广播的迅速发展,则又带动了模拟通信技术的革新,从此进入了长达七十年的模拟电子技术的黄金时代。

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今天的故事,还是关于阿姆斯特朗的故事。没错,就是我们前面介绍过的,无线电广播技术的奠基人、泰山北斗级的前辈、超外差接收机的发明人——埃德温·霍华德·阿姆斯特朗(Edwin Howard Armstrong)。遗憾的是,今天讲的,是一个悲伤的故事。

阿姆斯特朗在获得超外差接收机的专利后,很快就因为这个发明赚了很多钱。到1923年,他已经是一个百万富翁了。这一年,他和妻子Marion MacInnis结婚了,作为结婚礼物,阿姆斯特朗制作了世界上第一台便携式超外差收音机送给了妻子。阿姆斯特朗的妻子当时是美国无线电公司总裁David Sarnoff(萨诺夫)的秘书,同时萨诺夫也是阿姆斯特朗的好友。当时萨诺夫邀请阿姆斯特朗到他的公司进行研究,帮助改良调幅无线电,以消除信号干扰和畸变。

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然而在对调幅无线电(AM)改良的过程中,阿姆斯特朗意外的发明了一种更好的调制方法,能够彻底解决AM的信号干扰,这就是后来的调频技术(FM)。经过了好几年的实验,阿姆斯特朗终于证明FM信号能够减少多达100倍的电磁干扰,同时传递的声音更加的清晰和保真。阿姆斯特朗于1934年获得了这项技术的专利,然而,他一生的噩梦就从这里开始了。

在这里有必要介绍一下调幅和调频的区别,当然对技术细节兴趣不多的读者大可以跳过这段,这并不影响整篇文章的阅读,不过我还是建议你耐心看完这段,因为理解起来并不那么困难。

调幅无线电(AM)是最早的将声音调制到高频无线电上的方法。这种方法是利用声音来改变高频无线电波的幅度,无线电波的幅度变化中蕴含了我们要传递的信息。但是无线电波在传递过程中,会受到各种各样的干扰,这些干扰也会使无线电波的幅度在传递的过程中发生变化,所以当我们接收到信号时,就无法区分哪些变化是有用的信息,而哪些变化是干扰造成的。

我们举个生活中的例子:你想象你要通过吹一个哨子,用哨子的声音大小来传递一个信息,你会发现你能传递的信息其实很有限,而且比如刮风时,别人并不知道是你吹的声音小,还是因为逆风的关系听起来声音小。那么,如何传递信息才能比较准确而又不受到环境的影响呢?你可能会想到,那我不用哨子了,我用笛子,因为笛子可以发出不同的音阶,这个音阶比音量更容易判断,并且不会因为刮风而变化。恭喜你,你很聪明,你和阿姆斯特朗的想法是一样的。

调频无线电(FM)的原理就类似我们吹笛子,FM是通过声音控制无线电波的频率而不是幅度来传递信息的。在传播过程中,无线电波的幅度会因为受到干扰而衰减、变化,但是频率却不会。因此调频会有更好的音质和更高的抗干扰能力。就像我们吹笛子,无论环境多嘈杂,只要能听见笛声,我们就能分辨do或re。但是我们想分辨哨子的音量大小却困难得多。

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在获得了专利后,1935年,阿姆斯特朗向听众展示了FM技术的优势,他发送了泼水和撕纸的声音,这两种声音通过AM发送完全无法识别,但是FM就可以。用FM传输的爵士乐效果也非常好。当时Ogden Standard-Examiner的一份报道中曾写道:

“如果在座的50位工程师闭上自己的眼睛,那感觉就像是这间屋子里面有一个爵士乐队一样。没有任何多余的声音。”

阿姆斯特朗坚信FM具有比AM更大的优势,但是他还是“图样图森破”了。他发明的推广面对的最大阻力,来自于AM技术的既得利益者,他的昔日好友——萨诺夫。

萨诺夫是美国无线电公司的总裁,后来被誉为美国广播通讯业之父。在当时,美国无线电公司通过AM技术已经建立了一个巨大的商业帝国,但是FM的出现,使得这个商业帝国遇到了威胁。于是萨诺夫利用了他的影响力,雪藏了这项技术。萨诺夫说服了联邦通信委员会,让委员们相信FM技术可以改良调幅技术,但还需要很长时间。于是,联邦通信委员会禁止商业调频广播的运作,并限制FM技术的实验研究。

但是后来,美国无线电公司却开始开发自己的FM技术,并且无视阿姆斯特朗的专利,直接销售调频收音机。美国无线电公司宣称这项技术是由该公司发明的,并且获得了自己的专利。

1948年,阿姆斯特朗起诉了美国无线电公司,指控该公司盗窃和侵犯了他的五项基本FM专利。美国无线电公司于是聚集了一众律师开始诉讼前的准备,在持续数年的时间中,这些律师采用了车轮战,不停地质疑阿姆斯特朗,直到他的健康状况和财务状况都开始恶化。有报道引述他的话说:“只有我死了或者破产他们才会停止”。1953年的感恩节的晚上,阿姆斯特朗不停地咒骂着,喋喋不休地向她的妻子抱怨钱的事情,他拿着火钳咒骂,然后在他的妻子的手臂上打了一下。

他的妻子于是离开了他,然后搬去和自己的妹妹同住。

接下来的圣诞节和新年他都是一个人孤独的度过的。两个月后,在1月31日的晚上,阿姆斯特朗在他的13层楼的公寓里穿好自己的大衣,戴好自己的帽子和手套;然后他小心地将空调从窗子上移下来,从楼上跳了下去。《纽约时报》在报道他的死亡时提到他留给他妻子的遗言:

“他因为没能再看到自己的妻子一眼而伤心欲绝,他因为自己伤害了他而感到非常后悔,她是他这一身最宝贵的财富。”

而他曾经的朋友萨诺夫对此只说了一句:“我没有杀他。”

他的妻子在他死后继续着他的战斗,在他们的律师Dana Raymond的帮助下,最终赢得了2场胜利,而其他18项也达成了协议。这些诉讼得到的钱进入了阿姆斯特朗纪念研究基金会,开始这一基金会支持小型的FM公司,而现在这一基金会的目标是激励和奖励无线电的研究人员。1955年,国际电信联盟将阿姆斯特朗的名字加入了伟人名录。1983年,美国发行了阿姆斯特朗的纪念邮票。2000年,他进入了消费电子协会的名人堂。

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阿姆斯特朗最终还是没能看到诉讼胜利的那一天,任何伟大的创新都会受到既得利益者的拼命阻挠,这是资本世界的本性,我们无法准确的判断这到底是好还是坏。只能说,这是一个悲伤的故事。

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得益于第二次世界大战,无线电技术迅猛发展,真空三极管得到了广泛的使用。但是真空三极管的缺点也日益显现,功耗大、寿命短、易碎、可靠性差等问题难以解决,人们亟待一种新的器件来代替真空三极管。

在前面的章节,我们曾经介绍过矿石检波器,在20世纪的第一个十年,半导体器件就已经应用于无线电领域。但是这种矿石检波器只是一种很粗糙的设备,人们虽然发现了半导体的单向导电性,但是并不知道其中的原理。

20世纪30年代,贝尔实验室的科学家试图使用超高频信号用作电话通信,但是当时的真空三极管无法接收这种频率的信号。于是他们回到原来的晶体检波器,发现这种原始的方法反而非常有效。因此贝尔实验室专门组织了研发团队,来研究半导体及金属的导电机制。这个半导体研究小组隶属于固态物理部,组长是威廉·肖特利,成员包括约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿等。

一开始的时候,肖克利十分执着于“场效应晶体管”(当然这后来成为了现代CMOS集成电路的基础,但是这是后话),因为用固态器件代替真空三极管,人们本能的想到用相同的原理来实现,即用电场控制半导体的电导率。但是,反复的实验结果似乎都朝着一个准确的方向——失败。实验没有观察到任何的“调制”,即使最小的变化也看不出。于是团队转而研究半导体的表面性质,来揭示这个失败的原因。

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第一个进展是巴丁的“表面态”理论,用于解释肖克利实验的失败原因。无论半导体晶体有多么纯净,表面总有不能移动的电子,原因是表面有杂质原子,表面的“悬空键”可以捕获自由电子,让他们牢牢禁锢在表面动弹不得。进而布拉顿通过实验证明了这个表面态理论。很快,又有一个偶然的发现。他们把一滴液体滴在接触点上,用这滴液体作为栅极,惊人的事情发生了。这个装置产生了很大的增益,虽然响应非常慢,频率不到10Hz。

显然,液体的离子迁移率还是太低了,为了开发实用的放大器,必须找到一种固体材料代替电解液。接下来的实验采用了GeO2薄膜,在表面上蒸发了一层金电极作为栅极。但是又一个偶然发生了,在测量前布拉顿清洗样品时不小心把氧化物薄膜洗掉了,在锗表面形成了两个电极。结果竟然观察到了频率高达10KHz的电压增益,但是没有功率增益。布拉顿认识到,这是因为栅极太大了,为了提高效率,两个电极需要靠得非常近。巴丁通过计算得到,这个间距应该不大于50μm。

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布拉顿不愧是天才般的实验家,他用了一个巧妙的方法,就像下图的复原装置一样,他在覆盖着金箔的聚苯乙烯的楔子上,用剃须刀沿着顶端划了一条缝。1947年12月24日,平安夜,“晶体管”最终诞生了。反观晶体管的发明历程,每一个关键的节点都充满着偶然,平安夜诞生的这个简陋的装置,就像上帝带给人类的礼物,在未来的70年,改变了整个世界。

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肖特利、巴丁和布拉顿三人因为发明了晶体管,获得了1956年的诺贝尔物理学奖。但是早在1951年,巴丁就因与肖特利不和,离开了贝尔实验室到伊利诺伊大学香槟分校任教,转而研究超导问题,并于1972年与库珀、施里弗获得了诺贝尔物理学奖。巴丁也成为唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖的人。

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早期的晶体管主要用锗来制造,因为锗具有较低的截止电压,使用锗管的设备能够得到更高的灵敏度。但是锗有两个主要的缺点,一个是锗容易产生“热失控”,另一个是锗管的漏电流比较大,容易产生噪声。因此,肖特利敏锐的意识到,硅将代替锗成为更适合的半导体材料。看出了巨大商机的肖特利,于1955年离开贝尔实验室,来到加州山景城创立了“肖克利实验室股份有限公司”。因为发明了晶体管带来的巨大威望,肖特利的公司聚集了当时非常优秀的八个年轻人。但是肖特利的人品实在是不怎么样,管理公司更是一窍不通。很快,这八个年轻人就受不了了,决定集体辞职出来单干。但是让人想不到的是,这次集体辞职创造了历史,出走的八个人被成为“八叛逆”,创造了有史以来最伟大的一家公司,改变了整个世界的发展进程。也正是由此,圣克拉拉山谷被赋予“硅谷”之名,成为全世界的科技中心。

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让我们先来记住这“八叛逆”的名字,他们中的每个人日后都成为了硅谷响当当的人物,很多人直到今天仍然被人们所熟知。他们是:罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)、戈登·摩尔(Gordon Moore)、杰·拉斯特(Jay Last)、金·赫尔尼(Jean Hoerni)、维克多·格里尼克(Victor Grinich)、尤金·克雷纳(Eugene Kleiner)、谢尔顿·罗伯茨(Sheldon Roberts)、朱利亚斯·布兰克(Julius Blank)。

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肖克利手下的“八叛逆”离开了他这位糟糕的雇主,但是八个年轻人对于如何开公司还一无所知。不过值得称道的是,这八个年轻人很快学会了这一点,而他们的老东家——肖克利则直到公司倒闭也没有明白这个道理。

随着时间的推移,很多关键的历史瞬间会渐渐变得模糊,电子工业的高速发展似乎将这一过程也加快了。比如有种说法是肖克利创办了仙童半导体(Fairchild Semiconductor),这显然是错误的。也有不少人说仙童是硅谷第一家电子公司,这其实也是不对的。事实上,在仙童创办的半个世纪以前,这类公司就植根于硅谷了。虽然说直到70年代人们才叫这里“硅谷”,但是电子工业的种子早早的就在这里种下了。

故事要从1884年说起,时任加州州长及参议员的铁路富豪利兰·斯坦福和妻子简·莱思罗普·斯坦福带着儿子在欧洲旅行,可很不幸的是,他的儿子小斯坦福在欧洲感染了伤寒去世了。悲痛的斯坦福夫妇回国后,决定用他的2000万美元积蓄和在帕罗奥多市的3561公顷的土地,创建一所大学。这座在原始蛮荒的牧场上建造的大学,以他的儿子命名——斯坦福大学。

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被人戏称为“农场大学”的斯坦福大学,前30年几乎无所作为,直到一个人的出现才改变了这一状况。这个人后来被称为“硅谷之父”,他就是弗雷德里克·特尔曼(Frederick Terman,1900—1982)。

特尔曼是土生土长的“斯坦福人”,他的父亲是斯坦福大学的心理学教授,而特尔曼在斯坦福大学电子工程系读完硕士后,继续到麻省理工大学大学(MIT)攻读博士学位,毕业之后在MIT留校任教。如果没有意外,他也许会是MIT一位优秀的教授,著作等身然后退休。但是,一场肺结核改变了他的整个人生,也改变了斯坦福大学。

当时青霉素还没有被发明,这场病差点要了他的命。波士顿的冬天阴冷,在父亲的建议下,特尔曼回到气候温暖的加州养病。修养了一年,病好之后的特尔曼也不想回MIT了,母校斯坦福欢迎他这位学有所成的校友,将聘书送到了他的家里。于是特尔曼成为了斯坦福大学的教授,创办了斯坦福通讯实验室,开始在母校教授无线电工程学等课程。特尔曼深受学生爱戴,讲课风趣幽默又深入浅出,他创办的通讯实验室成果不断,很快成为美国西海岸的科研重镇,当时斯坦福大学的毕业生们,都将能进入这个实验室工作视为荣誉。

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1931年,特尔曼发现他的课堂上,有两个出色的二年级学生,一个矮矮胖胖的叫比尔·休利特(Bill Hewlett),另一个瘦瘦高高的,叫戴维·帕卡德(Dave Packard)。这是一对挚友,他们的计划是毕业之后就去创办自己的电子公司,但是特尔曼得知后,委婉的告诉他们:

“如今,大多数成功的无线电公司是由受教育不多的人创立的。对你们这些有扎实理论基础的人来说,成功的机会就更多了。多读些书,你们在产业界将大有作为。”

当时也正直美国经济衰退,他们听从了特尔曼的建议,毕业后休利特继续深造,而帕卡德则受雇与通用电气公司。很快,机会来临了,随着美国经济复苏,越来越多的公司开始采购电子设备来更新换代,而这时候休利特正好也毕业了。1938年一天,特尔曼教授找到两位高足,劝说他们创办自己的公司,并给了他们一笔538美元的经费。

很快,1939年1月1日,这个全部固定资产只有一个工作台、一台钻床、一把螺丝刀、一把电烙铁、一把钢锯和若干电子零件的公司,在帕罗奥多的一个车库里成立了。公司的名字以两个人的姓氏命名,至于谁先谁后则用掷硬币的方式决定。休利特的运气不错,新公司被注册为“休利特——帕卡德公司”(Hewllet-Packard),简称HP。于是,大名鼎鼎的惠普公司诞生了,他们的第一个产品就是源自休利特的毕业论文《可变频率振荡器》,代号为HP-300A。

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无论是出于前期对休利特和帕卡德两位年轻学生的影响,还是后面鼓励资助他们创办公司,都可以说惠普的诞生与特尔曼教授是分不开的。惠普作为硅谷第一家具有影响力的公司,成为了一个好榜样。特尔曼不只一次的对创业者说:“有惠普在前面带路,你们将会是第二个、第三个惠普。”在这种精神的感召下,越来越多的年轻人来到硅谷创业。

这时的斯坦福仍然是名不见经传,但是转折点很快来临。受到这些创业者的启发,1951年,已经是斯坦福大学教务长、工学院院长的特尔曼提出了一个伟大的构想——将1000英亩的闲置校园,建成“斯坦福工业园”,以象征性的价格租给工商业界和校友用来创办公司,由这些公司与学校合作,让实验室里的成果走出来。园区规定,园区内所创办的公司必须是基于科技研发的电子及相关行业公司。斯坦福工业园的建立正式奠定了硅谷腾飞的基础,从此一家又一家的公司在这里创立,犹如星星之火点燃了这片古老的土地,这里很快成为了全世界的尖端科技的中心,而中心的核心,则是斯坦福这所年轻的大学。

正如谚语所说:“先有哈佛,后有美利坚”,硅谷亦是如此。很难想象硅谷能在没有斯坦福这个中心的情况下凭空产生。而特尔曼则是这个过程直接推动者,因此被称之为“硅谷之父”。斯坦福工业园建立之后,特尔曼感觉到这里虽然一片繁荣,星星之火虽多可是却缺少大师,不足以点燃科技之火。于是,他邀请了一位重量级的科学家来此创业,他就是晶体管的发明人——威廉·肖特利博士。有了这位名人效应,许多著名科学家和青年才俊纷至沓来,一时间斯坦福工业园成为了众多投资机构的关注热点。

后面的故事大家已经熟悉了,八个天才般的年轻人追随他们的偶像而来,加盟了肖克利的半导体实验室。然而因为肖特利糟糕的管理才能又让这八个人集体出走。这八个人后来创办了仙童半导体公司,将平面工艺引入到了半导体制程上,开创了用硅制作晶体管和集成电路的先河,最终赋予了圣克拉拉山谷的“硅谷”之名。

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让我们暂时先离开硅谷,向东南方向穿过科罗拉多大峡谷和茫茫沙漠,来到德克萨斯。这里有一个可以称作“第二硅谷”的地方——达拉斯。

说起德州,大家首先可能想到的是德州扑克,喜欢体育的同学会想到休斯敦火箭和达拉斯独行侠(就是之前的小牛队,刚改的名),当然还有美味的德州扒鸡(这个是山东的德州,手动滑稽)。今天我们就来说说在半导体行业赫赫有名的——德州仪器。

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德州仪器的起家史颇有甄嬛传的味道——本来旗下的一个小部门,逆袭成为母公司,把母公司变成了自己旗下的一个部门。早在1930年,J·克莱伦斯·卡彻和尤金·麦克德莫特创建了一个叫做“地球物理业务公司”(GSI)的为石油工业提供地质探测的公司。简单来说,就是挖地球的。1941年12月6日,麦克德莫特和其他三名GSI的雇员J·埃里克·约翰逊、塞瑟尔·H·格林以及H·B·皮科克买下了GSI公司。和惠普一样,GSI也沾了二战的光,因为政府订单需求量的大增,GSI在地质和信号处理上又有一定的积累,于是GSI开始帮助美军制造设备。下属的L&M(实验室和制造部门)渐渐成为支柱产业,战争结束后,继续生产其他电子产品。

1951年,公司更名为“德州仪器”(Texas Instruments, 简称TI)并沿用至今,GSI成为德州仪器的全资子公司。第二年,德州仪器从西部电子公司(Western Electric Co.,AT&T的制造部门)用25000美元购买了生产晶体管的专利授权。随后在贝尔实验室工作的戈登·K·蒂尔回到了故乡德克萨斯,在德州仪器担任研究主任。

1954年2月,戈登·蒂尔研制出了第一个商用的硅晶体管,并在同年5月10日的无线电工程师学会(Institute of Radio Engineers, IRE)国家航空电子大会上上公布了这一产品。德州仪器成为了当时唯一一个批量生产硅管的公司,不过这时的硅管要比锗管贵得多。这时距离“八叛逆”创建仙童还有一年,真正把硅晶体管变成白菜价是仙童的平面制造工艺。凭借这一工艺仙童打败了几乎所有的晶体管行业对手,然而1959年3月仙童参加纽约的产业贸易展览会,信心满满的仙童走过德州仪器的展台时,仿佛一盆冰水从头上浇下。在德州仪器的展台上,一个新员工在假期突发奇想发明出来的一个装置,让仙童感受到了前所未有的巨大危机。

在南方的达拉斯,每年的八月就像同纬度的南京一样炎热。因此TI有个传统福利,8月可以享受两周的高温假。但是杰克·基尔比(Jack Kilby)比当时是个新人,无缘这个长假。幸运的是,也是因为这两周的加班,让他改变了世界,也获得了诺贝尔奖。

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基尔比在这个两周的假期里,孕育出了一个天才的想法:电阻器和电容器(无源元件)也可以用半导体材料制造,可以把这些元件做在同一个基片上。1958年9月12日,他把这个想法变成了现实,包括前德州仪器总裁Mark Shepherd在内的数名高管汇聚一堂,共同见证了基尔比的伟大发明。他们所见到的是一块上面带有突出的电线,并粘在一块载玻片上的锗片。该装置相当粗略,但是当基尔比按下开关,示波器显示屏上赫然出现了不间断的正弦波形。这是一个移相振荡器(Phase-Shift Oscillator),在10V电压驱动下,示波器稳定的显示出了1.2MHz、振幅为0.2V的振荡波形。世界上第一块集成电路在这里诞生了。

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从此德州仪器一发而不可收拾,创造了一个又一个的第一。1954年制造第一台晶体管收音机、1967年发明了手持式电子计算器,1971年发明了单芯片微型计算机、1982年发明了数字信号处理器(DSP)。值得一提的是,世界上第一个激光制导导弹也是德州仪器制造的。对于德州仪器来说,最令人称道的是2011年收购了美国国家半导体公司(National Semiconductor),这项总金额65亿美元的并购,使德州仪器成为了世界上最大的模拟集成电路公司,并且几乎无法被超越。

最后再说一个趣味小故事,如果你在美国向人问起TI,大多数行业外的美国人第一个反应是“Oh, that calculator company?”。TI的计算器对美国人来说就是“一课一练”般的存在,直到现在美国的大中小学生还在使用TI的图形计算器,简直是居家旅行杀人灭口的必备物品。

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“八叛逆”离开肖克利后,他们对于如何运行一家公司还一无所知。不过,以他们的聪明才智,他们将很快学会这一点。

在创建新公司的进程中,最引人注目的是他们8个人迅速、轻松的分头负责各自最擅长的任务:鲍勃·诺伊斯和杰·拉斯特负责光刻技术,这时晶体管制造的基础步骤;戈登·摩尔和金·赫尔尼这两位全美最优秀的年轻固体物理学家负责改进扩散技术;谢尔顿·罗伯茨负责培育硅晶体;维克多·格里尼克在公司第一位雇员莫雷·西格尔的协助下设计了公司首款产品的技术规格:2N696型“双扩散基”晶体管,这个项目最初始于肖克利的实验室,但是被搁置。

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这时的八个人分布在两个地方。一处是维克多·格里尼克位于帕罗奥多的车库,他和莫雷·西格尔在这里设计测试系统。团队的其他人则在3公里外,位于山景城查尔斯顿路的一座出租屋里工作。格里尼克和西格尔意识到,根本没有现成的测试仪器供他们使用,他们几乎自己发明了每一样东西。西格尔回忆道,他们当时需要一个工作台,但是他们不知道需要多高,于是他们在一个桌子上摞了一些电话簿,他们站在旁边。当当电话簿摞到上腹部时,他们觉得可以了。这个简陋可笑的工作台,后来成为了今天的工业标准。而查尔斯顿路那边更为艰苦,那里一开始甚至没有供电,他们却希望在那里迅速生产出世界最先进的电子产品。

现在还有一个重要的事情没有解决,那就是资本。还没有一家公司愿意投资他们,他们在先前找到的30个投资者处都吃了闭门羹。现在还有一家可以试一试,那就是仙童摄影器材公司(Fairchild Camera & Instrument Company)。这家公司成立于40年前,靠航空摄影和新型飞机积累了财富。也许他的创始人谢尔曼·费尔柴尔德(Sherman Fairchild)在这8个人身上看到了自己年轻时的影子,于是决定提供支持,让他们试一试。仙童摄影器材公司向新公司投资150万美元,这个小公司被命名为仙童半导体,是仙童摄影器材公司的全资子公司。

诺伊斯告诉费尔柴尔德,这些本质上是沙子和金属导线的基本物质将使下一代晶体管的材料成本趋近于零,竞争将转向制造工艺。这种廉价而强大的新晶体管将会使消费产品和家电变得极其廉价,甚至以更强大的新产品取代他们会比修理他们更便宜。我们现在回头去看诺伊斯在1957年的愿景,发现他的话早已经成为了现实。

仙童的第一个客户就是大名鼎鼎的IBM,这归功于诺伊斯领导能力和勇气。而更令人惊讶的是,IBM不仅决定从这个名不见经传的小公司购买产品,而且他们还如期的交货了。有了这样一个重量级的客户,仙童也被邀请参加一些更高级的竞标会,到了1958年,它已经赢得了政府合同,击败包括德州仪器在内的重量级对手,为“民兵”核导弹系统提供晶体管。但是这次,仙童遇到了危机。

样品被交给政府的检验员进行检验,验证它们是否符合美国军事器材规格标准。然而结果是灾难性的,测试人员发现,仙童的样品很不可靠。有些晶体管,甚至用铅笔轻轻敲一下就会出现故障。

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为了应对这个情况,一种新的工艺被赫尔尼开发出来,他管这个叫“平面处理”。现在我们把这种技术叫“光刻技术”,是现在所有芯片的通用制造工艺。简单来说,就是手工画一张很大的布局图(有时能占用一整面墙的面积),然后对他进行照相,并缩小成一个微缩的透光片。然后把硅晶体像切香肠一样切成薄片后再涂上一层感光胶,用强光或紫外线照射。曝光的地方,胶会固化,未曝光的地方则不会。然后就可以用酸性物质把未曝光的部分蚀刻掉,然后或者注入杂质(扩散),或者镀上金属或绝缘材料。再对下一个透光片重复这个过程。

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这样通过两三张透光片(我们现在叫“掩膜版”),就可以通过光刻法制造晶体管。而且一套透光片可以反复使用,也可以在一个晶圆上成批量的制造晶体管,就像印刷一大张邮票一样。耐人寻味的是,仙童的母公司正是一家经营照相器材的公司,而赫尔尼的新工艺,正是采用了照相技术。掌握了平面工艺的仙童已经不再是晶体管行业的一个普通的参与者了,而是成为了行业的领导者。新工艺一推出,仙童就几乎把所有的其他晶体管都淘汰了。

而且这种平面工艺,相比于晶体管,其实更适合做集成电路。虽然世界上第一颗集成电路的诞生在德州仪器,比鲍勃·诺伊斯早了几个月,但是的诺伊斯的设计无疑更加先进。基于平面工艺,诺伊斯解决了基尔比没能解决的问题——如何把晶体管和其他半导体元件做在一个晶圆上并且经济可靠的连接在一起。可以说,世界上第一个集成电路诞生在德州仪器,但是世界上第一个实用的集成电路制造工艺诞生在仙童。并且“集成电路”这个名字,就是诺伊斯创造的。

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然而由于位于东海岸的母公司仙童摄影器材公司与位于加州的仙童半导体之间巨大的文化冲突和战略分歧,仙童的辉煌仅仅是昙花一现。随着大量核心技术人员的出走,仙童走向了落幕,等待他的将是被收购的命运。正如苹果公司乔布斯形象比喻的那样:

“仙童半导体公司就象个成熟了的蒲公英,你一吹它,这种创业精神的种子就随风四处飘扬了。”

总数超过100家的公司脱胎于仙童,在硅谷燃起了燎原之火。这是科技之火、创新之火也是创业之火,从此硅谷成为了信息时代的中心地带。这里面比较著名的有:

查尔斯·斯波克(C.Sporck),1967年离开仙童加入美国国家半导体公司任CEO 

杰里·桑德斯(J. Sanders),1969年,他带着7位仙童员工创办高级微型仪器公司(AMD) 

鲍勃·韦勒(Bob Widlar),1966年离开仙童加入美国国家半导体公司 

罗伯特·诺伊斯、戈登·摩尔,1968离开仙童创办了英特尔(Intel)公司

值得一提的是鲍勃·韦勒(Bob·Widlar),他被誉为模拟界的乔布斯。这个酗酒、斗殴、在国半的草坪上养羊、在固态物理学年会上打人的怪才,是一个放浪不羁爱好自由的人,同时也是当时世界上最好的模拟电路设计师之一。世界上第一颗集成运放μA-702、μA-709的设计者,同时也是世界上第一颗集成电压基准μA723的设计者,后来他成为凌力尔特(Linear Technology)公司的联合创始人。他发明了一系列模拟集成电路的基本单元电路,包括Widlar电流源、Widlar带隙基准、Widlar输出级等。直到今天,这些电路仍然广泛应用于各类模拟芯片,有人统计,目前全世界有一半的模拟芯片应用了韦勒的电路。

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仙童的故事到这里就结束了,我们系列中关于模拟的部分也就讲到这里。下面我们将跟随历史的脚步,回顾一下数字电路的发展例程。这也与仙童有关,罗伯特·诺伊斯、戈登·摩尔和他们创办的英特尔公司发明了微处理器,由此世界进入了PC时代,更为互联网的出现奠定了基础。

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如今世界早已进入了信息时代,我们每天都会和各种各样的智能设备打交道。无论是PC、手机、电视机,还是智能手环、蓝牙耳机,这些智能设备里都有着计算机的身影。计算机虽然是一门独立的学科,但是却是因为电子科学的飞速发展,计算机的研究和应用才取得了突破。毫不夸张的说,如果说数学是计算机的父亲,那么电子学就是计算机母亲。

早在人类开始使用电之前,计算机就已经出现。人们公认的第一台真正的计算机是著名科学家帕斯卡(B.Pascal)在1642年到1644年之间发明的机械加法器。没错,就是压强单位的那个帕斯卡,他首先是一名著名的数学家,然后才是物理学家。大名鼎鼎的Pascal语言,就是为了纪念帕斯卡才用Pascal命名的。

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当然这是一台非常简陋的机器,只能计算加法,不过他却能做到自动进位,因此人们认为它是世界是最早的计算机。在电出现之前,机械计算机即便经过不断改进,也很快就到达了极限。1822年巴贝奇发明的差分机达到了机械计算机的巅峰,也成了最后的绝唱。不过巴贝奇的学生,拜伦的女儿阿达·拉夫拉夫斯基伯爵夫人在帮助巴贝奇研制分析机时,提出了程序设计思想,因此被誉为世界上第一位程序员。

随着真空三极管的发明和应用,人们认识到,通过电信号的传递和变换来实现计算机,可以达到无与伦比的速度和精度。随着通信电子技术进入模拟时代,模拟计算机很快出现。在大约20世界30年代的时候,模拟计算机的研制工作就已经开始了。

模拟计算机来自一种很自然的想法,就是用具体的电压或电流值来表示一个自然界的物理量或数字,然后通过一种模块,来对电压进行加、减、乘法、积分、微分等计算,得到一个同样用电压值表示的结果。这样我们就通过由电子元件组成的系统来对真实的世界进行建模和分析(模拟真实的系统行为)。这个模块需要完成的功能就是依照数学运算法则来进行电压的变换,所以它被叫做——运算放大器。

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模拟计算机最早用作一些需要快速输出结果的固定运算过程,这种运算的目的并不是要得到数学上的精确解,而是得到一个能用用于实际应用的符合精度的近似结果。在二战期间,贝尔实验室率先研制出M-9火炮指挥仪。二战后,一些人以M-9中的运算放大器为基础,于1947年研制出全电子直流模拟计算机。随后世界各发达国家都进行了模拟计算机研究。

然而好景不长,随着数字计算机的飞速发展,模拟计算机很快就被数字计算机所取代,退出了历史舞台。但是模拟计算机的核心零部件——运算放大器,不仅没有被淘汰,反而成为了模拟电子技术的核心。毫不夸张的说,整个模拟电子技术的发展史,可以分成两个部分,一部分是是千方百计的去应用运算放大器,另一部分就是千方百计的去改进提高运算放大器的性能。

也许大多数人想不到的是,关于运算放大器的历史,要从瓦特开始说起。那时第一次工业革命还没有开始,瓦特正在改良纽可门蒸汽机,这个过程是一个逐渐发展的过程,其中一个重要的里程碑就是离心调速器的发明。离心调速器是最古老的自动控制系统,它最早应用了反馈的原理,实现了对蒸汽机转速的自动控制,开启了近代自动控制的先河。直到今天,反馈控制的思想,不仅是自动控制技术的核心思想,也是模拟电子技术的核心思想,影响极为深远。

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请大家记住下面的原理,我们后面介绍运算放大器时要用到

离心调速器的原理,就是当蒸汽机启动后,通过齿轮将转动传动到离心调速器的转轴上,带动连杆机构上的两个钢球1绕转轴转动,钢球的惯性令其做离心运动,而弹簧则对两个钢球提供向心力。钢球的离心运动带动套筒2向上运动,杠杆3将套的运动传递到蒸汽阀门5,调节阀门的开度,而阀门的开度又调节了蒸汽进给量,调节蒸汽机转速。在蒸汽机运转过程中,当转速超过设定转速时,弹簧的弹力小于钢球所需向心力,做离心运动,带动蒸汽阀门,减小开度,进气量降低,蒸汽机转速降低。当蒸汽机转速小于设定转速时,弹簧弹力大于钢球所需向心力,钢球向转轴靠拢,带动蒸汽阀门增大开度,进气量增大,蒸汽机转速增加。从而,离心调速器通过弹簧和钢球所需的向心力达到调节蒸汽机转速的目的,令蒸汽机转速始终保持在一个稳定的设定值。

现在我们回到20世纪,真空三极管的放大作用使得人们可以将微弱的信号放大,从而使弱信号的远距离传输成为可能。很快,这一技术被贝尔实验室用于电话信号的传输。但是有一个问题一直困扰着工程师们——放大器的增益不稳定。无论如何精心的调节电路,放大器的增益都会因为温度、时间、或者下了一场雨等原因显著的变化。增益过高,信号产生了失真,使音质变差;增益过低,又使信号太弱,以至于听不清楚。AT&T的雇员们为了调节线路而疲于奔命,这个亟待解决的问题落在了29岁的哈罗德·史蒂芬·布莱克(Harold Stephen Black)的身上。

布莱克是贝尔实验室的雇员,他家住在纽约,而贝尔实验室当时在新泽西,所以他每天乘坐轮渡跨过哈德孙河上班。乘坐轮渡是哈瑞感到很轻松,让他可以有更多的时间来思考一些概念上的东西。开环的放大器之所以增益很不稳定,是因为真空管本身有很大的非线性,并且极易受到环境的影响,而无源元件比有源器件要稳定得多,因此若放大器的增益若能取决于无源元件,这个问题就能解决。于是他参照离心调速器的原理,发明了“反馈放大器”。

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反馈放大器就是利用一个增益(我们叫它“开环增益”)远大于实际使用增益的放大器,把放大器输出信号的一部分反馈到输入端,反馈回来的信号要抑制输入信号的效果。当输出的信号太强,就使输入信号的作用减弱,使输出回到正常水平;而当输出信号太弱时,又使输入信号的作用增强,使输出升高。于是整个反馈放大器电路的增益取决于反馈回路,而不取决于放大器的增益。这样,电路的增益就取决于无源的反馈元件,而与有源的放大器无关。这种方式我们叫他“负反馈”,至今仍然是运算放大器最核心的原理。

运算放大器的出现成功解决了放大器增益不稳定的问题。利用负反馈的原理,不仅能做出稳定增益的放大器,而且能利用这些放大器进行加、减、乘、除、对数、微分和积分等运算。从而使利用电信号进行数学计算成为了现实,人们可以用电子系统来模拟和预测真实的物理系统的行为。随着二战的爆发,这种方法很快用于火炮控制等场合,导致了模拟计算机的出现。因此,布莱克发明的“反馈放大器”后来被叫做运算放大器直到今天,而这种用电子系统来对真实世界建模的技术被成为——模拟(Analog),也沿用到了今天。

布莱克发明了运算放大器(以下简称“运放”)之后,经过不断的改进,放大器的性能不断提高,但是一个问题一直困扰着人们。在开环增益增加到一定程度后,有些运算放大器会工作不正常,甚至发生振荡而无法使用。布莱克自己无法解决这个问题,他转而向同事哈利·奈奎斯特(Harry Nyquist)请教。

奈奎斯特经过研究,发现是放大器固有的附加相移使反馈发生了变化。因为放大器本身的电容作用,使输出信号和输入信号产生了一定的相位差,而这个相位差随着频率的增大会逐渐增大,以至于达到180度,即输出信号与输入信号反相。此时放大器在这个频率点上由负反馈变成了正反馈,如果此时放大器具有大于1的增益,就会发生振荡。

当然这是后来简化的说法,当时的奈奎斯特判据依据复数运算,使用起来极为复杂不便。后来在1940年,H.w.伯德(Bode)引入了半对数坐标系,把复数运算变为代数运算,大大简化了频率特性的绘制。1942年,H.哈里斯(Harris)在拉普拉斯变换的基础上,引入了传递函数的概念,从此运算放大器的稳定性分析和补偿方法开始成熟。

布莱克利用奈奎斯特的方法,在运放中采用了电容补偿,于1934年发表了论文和专利。1941年,贝尔实验室的Karl D. Swartzel Jr.设计了第一款商用的真空管运放——加法器。

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早期的运放采用真空管作为放大元件,需要高电压驱动,体积也很大。因此当时的运放又被称作Brick(砖)。这个名字现在仍然在欧美的电子工程师中使用。随着晶体管的发明,人们希望用晶体管来制作运放,这样能显著减少体积。但是半导体行业的飞速发展,瞬间就跳过了这一阶段。随着1958年集成电路的发明,以及1959年硅平面工艺的出现,运算放大器率先以集成电路的形式成为世界上第一种通用集成电路。1963年,仙童半导体的Bob Widlar设计了世界是第一款集成运放——μA-702,1965年纪经过改进后,改进版命名为μA-709。

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这款运放的开环增益只有大约1000倍,输入阻抗只有20KΩ,集成了9个晶体管。这样一个今天看起来近乎简陋的芯片,当时的售价高达300美元。而1963年的美国人均收入才2500美元。也就是说,一个普通美国人一年的工资也就够买8颗运放。

1968年5月,仙童半导体推出了有史以来最成功的运算放大器,也是生命周期最长寿芯片——μA-741。这个型号直到50年后的今天仍然在生产使用。

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不过模拟芯片普遍长寿,在现在CPU每2年就彻底淘汰一代的时代,我们常用的很多运放型号还都是上个世纪70年代的型号。不过这也从侧面说明了,模拟电子的时代马上就要结束了。如果说运算放大器的发明带来了模拟技术的黄金时代的话,几乎在同一时间,布尔代数的出现,则敲响了数字时代的大门。而后者经过40年的发展,在上个世纪八十年代初,推动了大规模集成电路的出现,并逐步替代了模拟电路。

CA3130: 1970年由美国无线电公司制造 

LM324: 1974年由美国国家半导体公司制造 

LF355: 1975年由美国国家半导体制造 

TL084: 1976年由德州仪器公司制造

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相当长的一段时间,电子元器件都是专门的、特定功能的产品。运算放大器可能是第一种通用器件,然而运放的功能终究有限,无非是放大还有通过外部电路的配置完成一些数学运算。而微处理器的出现是一个飞跃,微处理器的出现为电子产品的设计带来了一个新的模式。即由原来用不同元器件的组合来完成特定的功能的模式,转变为通过程序的编写来完成特定的功能的模式。这个转变使完全不同功能的产品可能具有相同的硬件结构,而区别仅仅在于程序。这种设计模式把电子产品的设计划分为硬件设计和软件设计两个部分。硬件设计开始实现标准化,软件设计的高度灵活,这两者保证了产品在具有比以往强大得多的功能的同时,成本得以显著降低。

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世界上第一款微处理器来自于英特尔,代号4004。它内部集成了2250个晶体管,能够处理4bit的数据,主频0.74MHz,每秒运算6万次。这样的性能在如今连普通的计算器都不如,但是在当时4004绝对是一件划时代的产品。他标志着计算机这种原本只存在于政府、大学、国防机构的庞然大物,开始变成一个普通的电器进入寻常百姓的家庭。

计算机的起源相对较早,除了我们之前说过的模拟计算机,数字计算机几乎也在同一时刻开始出现。1854年,39岁的乔治·布尔发表了《思维规律》一书,标志着布尔代数这门学科的问世。但在当时,没有引起人们的重视。1938年,克劳德·艾尔伍德·香农(Claude Shannon)发表了他的伟大论文——《对继电器和开关电路中的符号分析》,文中首次提及数字电子技术的应用。在论文中,他论述了如何使用简单的开关元件来实现逻辑和数学运算。这标志着二进制电路和逻辑门开始在电子设计中应用。

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香农这个人最广为人知的工作是创立了信息论,并为数字通信奠定了基础。而《对继电器和开关电路中的符号分析(A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits)》一文,其实是他的硕士论文。当时香农正在麻省理工读电子工程硕士。这时的香农就已经注意到电话交换电路和布尔代数之间的关联,即把布尔代数的“真”与“假”和电路系统的“开”与“关”对应起来,并用1和0表示。于是他用布尔代数分析并优化开关电路,这就奠定了数字电路的理论基础。

随后在1945年,真正意义上的通用电子计算机ENIAC被制造出来,但是他的编程却非常不便,每一次编程都是物理线路的再连接。开发ENIAC的小组继续完善,最终实现了我们今天所熟知的冯·诺依曼结构。这个体系成为了相当长的一段时间内几乎所有计算机的基础,直到最近几年ARM的飞速发展才将这一局面打破。

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计算机的发展经历了电子管、晶体管两个阶段后,集成电路在上世纪60年代出现。这时的英特尔公司率先推出了微处理器4004,而后又推出了8008。8008将位宽扩展到8bit,采用PMOS工艺,指令系统仍然不完善,主要用于工业仪表和控制。微处理器将原来复杂的计算机系统的核心功能集成到一个芯片(注:集成电路(IC)又叫芯片(Chip))里,只要在外面搭配存储器、IO设备,即可成为一台计算机,微处理器的出现使计算机的体积大大缩小。

1978年,英特尔推出了16位的微处理器8086/8088,并且第一次提出来指令集的概念。1981年,美国IBM公司研制推出了世界上第一款个人电脑(Personal Computer,PC),开创了全新的PC时代。这台PC采用8088处理器,运行微软的MS-DOS系统。事实上,也是PC取得的巨大成功,使得英特尔和微软分别成为了芯片界和软件界的两大巨头。后来英特尔相继推出了80286、80386、80486、奔腾、奔腾II……等等一些列的x86指令集微处理器,而微软则推出了DOS、Windows3.2、Windows95、Winddows98、Windows2000、WindowsXP等一系列操作系统。x86和Windows成为了PC界的工业标准,全世界所有的电脑生产企业、软件企业、互联网企业等生产的所有硬件、软件都遵循这个体系。使得无论是谁生产的内存、无论谁生产的CPU、无论是什么软件,只要是能兼容的特定型号,就一定能组成一台PC机。

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除了在PC上取得的重大成功,由于微处理器的出现使计算机的体积大大缩小,以至于可以方便的嵌入到工业仪表、过程控制等系统内,使得嵌入式计算机系统也开始大规模应用。所谓嵌入式计算机系统,就是将特定的计算机系统嵌入在其他系统中,作为核心的控制单元,完成对其他的系统的控制和调度。微处理器从输入设备获取外界的信息,经过计算后,通过输出设备将结果反馈给外界。原本需要通过复杂的电路来实现的功能,现在都能通过编写代码来实现。因此微处理器的出现可以看作一个里程碑。在这之后,电子产品的设计将分成两部分——硬件设计和软件设计,而在此之前,这是不可想象的。

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人类对于自然现象有一种天然的探索欲,人们总是对追求宇宙的本质有着天然的向往。所以物理、化学、生物学乃至天文学都是科普作品的热门体裁,而介绍工程技术的作品则少之又少。大概是因为工程技术是自然科学的具体应用,涉及到应用,就会涉及到浩如烟海般的具体知识,涉及到确切的规格和定量。而想要理解具体的知识,又需要扎实的基础和长期的训练。

举个例子,对于电子电路的基本器件——运算放大器,普通人可能连听都没听过,而要理解这个器件的工作原理,必须了解基本的电子电路知识,包括KCL和KVL定理、负反馈原理、基本的电容、电阻等元件的特性等等。这对一个不是电类专业甚至没有理工科背景的人来说,是非常困难的。

我们普通人对于自然科学,理解概念比定量计算更加的实用。像市面上很多的科普书籍,全书不用一个公式就能解释相对论和量子力学。这样的书对读者是友好的,对于普通人来说,了解这些概念就足够了。而介绍一门工程技术,即使是仅仅从概念上理解,仍然特别困难。经过反复的尝试,作者觉得通过介绍电子技术的发展历史,在其中穿插一些基本的技术介绍,应该是可行的。因为这样有两个好处,其一是按照发展的历史顺序,一项技术一定是从简单到复杂的,这个顺序有助于读者理解;其二是历史能够激起读者的好奇心,相比于枯燥的理论介绍,读者更愿意听故事。于是就有了这样一部作品。

然而在写作过程中仍然遇到了巨大的困难。首先是对读者的定位,如果假设读者具有高中程度的知识,那要占用大量的篇幅进行基本层面的介绍。如果假设读者具有理工科背景,那似乎受众又太小,真是个纠结的事情。所以读者仔细阅读就会发现,各个章节的深入程度是不一样的,有的章节几乎全是故事,而有的章节,则包含了大量的专业术语和理论论述。这其实是就是作者的纠结心态的反映。

另一个困难则来自于素材的缺乏。电子技术的发展历史只有区区一百年,但是这个一百年又是人类历史上发展最快的一百年。这一百年人类创造的东西,比人类之前历史上创造的总和还要多。而电子学作为一个新兴学科,又是这一百年里发展最快的领域之一。日新月异的快速发展淹没了大量的历史细节,让人们无暇去回顾过去,很多事情经过几十年就变得完全模糊了。1912年电子三极管被发明,这可以看作是电子技术登上历史舞台的标志。仅仅三十多年后,1947年发明的晶体管就把电子管完全淘汰了。而现在的本科学生学习电子技术课,根本就不知道有电子管的存在。又比如运算放大器又为什么称之为“运算”二字,“运算”二字又是因何而来的,大概能说清的人也不是太多。在写作的过程中,能够查阅到的资料非常的有限。在这里说个笑话:写作的过程中发现一个好消息和一个坏消息,好消息是电子学历史只有100年,很多关键的见证人都还在世。坏消息则是,就因为他们还在世,因此挖掘他们故事的文献并不多。而作者又是一个普通科普爱好者,不是什么大作家,也没有机会去面对面的采访他们。这真是一个悲伤的故事。

篇幅有限,时间亦有限。电子技术的发展史上,还有很多波澜壮阔的历史瞬间没有挖掘出来。还有很多神奇的器件、重要的理论、有趣的科学家和工程师没有介绍。匆匆之间,就要到了截稿的日子了,文中的一些内容,也来不及去考证和精修了。错误在所难免,希望读者不要生气,后面这个系列的连载还会继续下去,并且会不定时进行精修。当然是在另一个平台了,有兴趣的可以私信作者。

(本文来源:科普中国-科普文创 )

(责任编辑:子豪)

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