负反馈放大器的发明故事

本文是《Genetic Programming IV： Routine Human-Competitive Machine Intelligence》第一章1.2小节的部分（第15页到第19页）中文翻译，基本上是机器翻译之后的润色修改。

2000 年，美国电话电报公司首席执行官迈克尔-阿姆斯特朗（C. Michael Armstrong）在伍斯特理工学院的毕业典礼上发表演讲时回忆道：
"1927 年 8 月一个闷热的夏日早晨，一位年轻人坐在渡轮上，渡轮驶过上纽约湾，驶向曼哈顿。 他正无所事事地凝视着自由女神像，突然，他从座位上跳了起来，开始疯狂地在口袋里寻找一张纸屑。 "一无所获后，他跑到甲板上的报童那里买了一份《纽约时报》。他撕扯着纸页，直到找到一张几乎没有字体的纸。他揭开钢笔的笔盖，勾勒出几张粗略的图表，并在图表周围画上了数学公式"。
迈克尔-阿姆斯特朗（C. Michael Armstrong）举起《纽约时报》上这一著名的页面继续说道： "当渡轮停靠在曼哈顿时，他飞奔到贝尔实验室的办公室。他把他的图表和方程式给他的一位同事看，这位同事仔细地阅读了这些图表和方程式。然后，他的朋友大叫了一声，两人都在报纸的版面上写下了自己名字的缩写。
"渡轮上的年轻人是哈罗德-布莱克，伍斯特理工学院 1921 届学生。他在报纸上的涂鸦就是负反馈放大器的蓝图。这种装置在 20 世纪的电子技术中发挥了重要作用" 1957 年，时任贝尔实验室总裁的梅文-凯利（Mervin Kelly）在谈到这张报纸上的涂鸦时说（布莱克，1977 年）："尽管哈罗德的许多发明都产生了巨大影响，但负反馈放大器确实是最杰出的发明。它很容易与德弗雷斯特发明的音频放大器并列，成为过去 50 年里电子和通信领域范围最广、意义最重大的两项发明之一......可以毫不夸张地说，没有布莱克的发明，就不会有现在覆盖全国的长途电话和电视网络以及越洋电话电缆。布莱克负反馈原理的应用并不局限于电信....，电气和机械控制领域的整个爆炸性扩展都源于对反馈原理的理解"。
Lee (1998) 回顾了布莱克 1927 年发明负反馈之前的历史。早期的反馈研究包括火箭先驱罗伯特-戈达德（Robert Goddard）1915 年利用正反馈发明的真空管振荡器专利（戈达德，1915 年），以及埃德温-霍华德-阿姆斯特朗（Edwin Howard Armstrong）1914 年再次利用正反馈发明的放大器专利（阿姆斯特朗，1914 年）。正如 Lee 所说："早年电子技术的进步在很大程度上得益于阿姆斯特朗的再生（正反馈）放大器，因为当时没有其他经济的方法可以从原始（昂贵）的真空管中获得大量增益"...
"阿姆斯特朗能够从单级放大器中获得增益，而其他人只能通过级联多级放大器来获得增益。阿姆斯特朗的这一成就使他能够制造出相对廉价的高增益接收机，并由于增益提高了灵敏度，从而大幅降低了发射机内的功率。在很短的时间内，正反馈（再生）放大器几乎成为一个通用的成语，而西屋公司（阿姆斯特朗已将专利权转让给西屋公司）的法律工作人员则忙于确保只有被许可方才使用这一革命性的技术。（强调是后加的）。然而，西屋公司的 "几乎通用的成语 "并没有解决当时美国电话电报公司面临的一个主要问题，即放大器的失真。正如 Lee（1998 年，第 387 页）进一步指出的那样： "虽然阿姆斯特朗的再生放大器基本解决了从真空管放大器中获得大量增益的问题，但电话行业却面临着另一个问题。为了延长通信距离、放大器来补偿传输线衰减。使用早期的放大器，通常可以达到几百英里的距离，如果非常小心，也许可以达到 1,000-2,000 英里，但质量很差。经过大量的工作，1915 年，一个简陋的横贯大陆的电话服务开通了，68 岁的亚历山大-格雷厄姆-贝尔给他的前助手托马斯-沃森打了第一个电话，但这一壮举更多的是噱头，而不是实用。
"问题并不在于放大倍数不够，因为要使线路末端的信号变得相当响亮并不难。问题在于失真。每个放大器的失真都很小（比如 1%）。将上百个放大器级联起来 保证出来的信号与输入的信号不太一样。"当时的主要'解决方案'是（尝试）保证放大器的'小信号'运行。也就是说，通过将信号的动态范围限制在放大器整体能力的极小部分，可以实现更线性的运行。实现。遗憾的是，这种策略的效率很低，因为它需要制造例如 100 瓦的放大器来处理毫瓦级的信号。由于信号源和放大器之间（或可能是放大器之间）的任意距离 放大器之间）之间的任意距离，因此很难保证输入信号始终足够小，以满足线性要求"。 1921 年，当哈罗德-布莱克（Harold S. Black）开始在美国电话电报公司（AT&T）研究降低放大器失真的问题时，情况就是如此。经过大量工作，布莱克于 1923 年得出结论（布莱克，1977 年）： "根本无法实现我们的宏伟目标"。
布莱克回忆道："这可能是它的结束，除了在 1923 年 3 月 16 日，我有幸参加了著名科学家和工程师查尔斯-普罗泰斯-斯坦梅茨的讲座......"
......
"我已不记得演讲的主题，但我记得他演讲的清晰度和逻辑性。"
......
"斯坦梅茨深入浅出的演讲给我留下了深刻印象，当我凌晨两点回到家时，我将自己的问题重述如下： 消除放大器输出中的所有失真产物。这样做时，我接受了一台不完美的放大器，并将其输出视为由想要的和不想要的组成。我认为不想要的就是失真（不管它是由于非线性、电子管增益变化还是其他原因造成的），我问自己如何分离并消除这种失真。我立即观察到，将输出降低到与输入相同的振幅，然后将二者相减，就只剩下失真了。这种失真可以在一个单独的放大器中放大然后，这个失真可以在一个单独的放大器中放大，并用来抵消原始放大器中的失真....。
"第二天，3 月 17 日，我绘制了两个这样的实施方案草图，从而发明了前馈放大器....。
"当天晚些时候，我在实验室里安装了每个实施例。两个都如预期般工作。
布莱克为他 1923 年发明的前馈放大器申请了专利，专利于 1928 年颁发（布莱克，1928 年）。不幸的是，他 1923 年的发明并没有 变成实用。正如布莱克（1977 年）所感叹的：
"这项发明需要精确的平衡和减法，而现有的放大器很难实现和保持这种平衡和减法。当时的放大器难以实现和维持...."。
"在接下来的四年中，我一直在努力解决如何将我的意图转化为实用放大器的问题....。
"为了我的目的，增益必须绝对完美"。
"例如，每天 24 小时，每小时都必须有人将灯丝电流调整到正确的值....。
"此外，每隔六小时就必须调整电池的电压，因为放大器的增益会失控。
"还有其他复杂的问题，但这些已经足够了！"
布莱克在 1923 年发明的前馈放大器的底线是：
"然而，我的努力一无所获，因为我设计的每个电路都过于复杂，无法实用。尽管有这样一个错误的开端，布莱克还是继续研究这个问题。在研究这个问题长达六年之后 "1927年8月2日星期二上午，当我乘坐拉克瓦纳渡轮横渡哈德逊河时，我突然想到了负反馈放大器的概念。50 多年来，我一直在思考这个想法是如何产生的，为什么会产生。说得更多。我只知道，经过几年的努力，我突然意识到，如果我把放大器的输出反相馈送回输入端，并保持设备不振荡，就能解决这个问题。相位，并保持设备不振荡（我们当时称之为 "唱歌"），我就能得到我想要的东西：一种抵消输出失真的方法。我打开早报，在《纽约时报》的一页上画出了一个简单的负反馈放大器示意图，以及带反馈放大的方程式。反馈放大的方程式。我在草图上签了名，20 分钟后，当我到达位于西街 463 号的实验室时，已故的厄尔-C-布洛克（Earl C. Bloss）见证、理解并签署了这份草图。已故厄尔-C-布莱辛见证、理解并签名。
其他许多发明家也曾报告过类似的奇异时刻，即他们之前对一个棘手问题的思考结晶成了一项发明。