Широко известная читателю по предыдущим изданиям монография известных американских специалистов посвящена быстро развивающимся областям электроники. В ней приведены наиболее интересные технические решения, а также анализируются ошибки разработчиков аппаратуры; внимание читателя сосредоточивается на тонких аспектах проектирования и применения электронных схем.
На русском языке издается в трех томах. Том 1 содержит сведения об элементах схем, транзисторах, операционных усилителях, активных фильтрах, источниках питания, полевых транзисторах.
Для специалистов в области электроники, автоматики, вычислительной техники, а также студентов соответствующих специальностей вузов.
Содержание:
Предисловие 1
Предисловие к первому изданию 2
Глава 1 - ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ 2
Глава 2 - ТРАНЗИСТОРЫ 29
Глава 3 - ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 51
Глава 4 - ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ И ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ 73
Глава 5 - АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ И ГЕНЕРАТОРЫ 100
Глава 6 - СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 115
Таблицы 141
Хоровиц Пауль, Хилл Уинфилд
"Искусство схемотехники"
Том 1
(Главы 1–6)
Издание 4-е переработанное и дополненное
THE ART OF ELECTRONICS
Second Edition
Paul Horowitz Harvard University
Winfield Hill Rowland Institute for Science, Cambridge, Massachusetts
CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS
Cambridge
New York Port Chester Melbourne Sydney
Предисловие
Кэрол, Джекобу, Мише и Джинджер
Перевод О.А. Соболевой
За последние сорок лет в области электроники, может быть более, чем в любой другой области техники, наблюдалось стремительное развитие. В 1980 г., преодолев сомнения, мы приняли смелое решение создать полный курс обучения искусству схемотехники. Под "искусством" мы понимаем мастерство владения предметом, которое возникает на основе богатого опыта работы с настоящими схемами и устройствами, но не может возникнуть в результате некоего отвлеченного подхода, принятого во многих учебниках по электронике. Само собой разумеется, если дело касается столь стремительно прогрессирующей области, наш практический подход таит в себе и опасность - столь же стремительно "свежие" сегодня знания могут устареть.
Электронная техника не сбавляет темп своего развития! Не успели просохнуть чернила на листах первого издания нашей книги, как нелепыми стали слова о "классическом" стираемом программируемом постоянном ЗУ, СППЗУ типа 2716 (2 Кб), стоимостью 25 долл. "Классика" исчезла бесследно, уступив место СППЗУ, емкость которых стала больше в 64 раза, а стоимость вдвое уменьшилась. Основная доля исправлений в этом издании обусловлена появлением новых улучшенных элементов и методов разработки - полностью переписаны главы, посвященные микрокомпьютерам и микропроцессорам (на основе IBM PC и 68008), в значительной мере переработаны главы, посвященные цифровой электронике (включая программируемые логические приборы (PLD) и новые логические семейства НС и АС), операционным усилителям и разработкам на их основе (что отражает факт появления превосходных операционных усилителей с полевым транзистором на входе) и приемам конструирования (включая САПР/АСУТП). Были пересмотрены все таблицы и некоторые из них претерпели существенные изменения, например, в табл. 4.1 (операционные усилители) уцелели лишь 65 % от 120 имевшихся в таблице входов, при этом добавились сведения по 135 новым ОУ.
Мы воспользовались появившейся в связи с новым изданием возможностью откликнуться на пожелания читателей и учесть свои собственные замечания по первому изданию. В результате была переписана заново глава, посвященная полевым транзисторам (она была чересчур сложной), и помещена в другое место - перед главой по операционным усилителям (которые все в большей степени строятся на полевых транзисторах). Появилась новая глава по конструированию маломощных и микромощных схем (аналоговых и цифровых) - тема важная, но непопулярная в учебниках. Большая часть оставшихся глав существенно переработана. Появились новые таблицы, в том числе по аналого-цифровым и цифро-аналоговым преобразователям, цифровым логическим компонентам, маломощным устройствам, больше стало рисунков.
Теперь книга содержит 78 таблиц (они изданы также отдельной книгой, которая называется "Таблицы для выбора компонент Хоровица и Хилла") и более 1000 рисунков.
Перерабатывая текст, мы стремились сохранить неформальный подход, который обеспечил бы успех книге и как справочнику, и как учебнику. Трудности, с которыми сталкивается новичок, впервые взявшийся за электронику, всем известны: все вопросы сложно переплетаются друг с другом, и нет такого пути познания, пройдя по которому можно шаг за шагом преодолеть расстояние от неофита до компетентного специалиста. Вот почему в нашем учебнике появилось так много перекрестных ссылок, кроме того, мы расширили изданное отдельной книгой "Руководство по лабораторным работам" и теперь это - "Руководство для студента" ("Руководство для студента к курсу "Искусство схемотехники", авторы Т. Хейес и П. Хоровиц ), дополненное примерами конструирования схем, объяснениями, заданиями по тексту основного учебника, лабораторными упражнениями и ответами к задачам. Благодаря такому приложению, предназначенному для студентов, нам удалось сохранить краткость изложения и множество примеров, что и требовалось для тех читателей, которые пользуются книгой прежде всего как справочником.
Надеемся, что новое издание отвечает требованиям всех читателей - как студентов, так и инженеров-практиков. Ваши предложения и замечания направляйте непосредственно П. Хоровицу по адресу: Physics Department, Harvard University, Cambridge, MA 02138 (Кембридж, MA 02138, Гарвардский университет, физический факультет, П. Хоровицу ).
Благодарим тех, кто помог нам в подготовке нового издания: М. Аронсона и Б. Матьюса (компания АОХ, Inc.), Дж. Грена (Кейптаунский университет), Дж. Авигада и Т. Хейеса (Гарвардский университет). П. Хоровица (компания EVI, Inc.), Д. Стерна и О. Уолкера . Выражаем признательность Дж. Мобли за отличное редактирование текста, С. Прибыльской и Д. Транхау из отдела прессы Кембриджского университета за высокий профессионализм и оказанную нам поддержку, а также неустанным наборщикам издательства Rosenlaui Publishing Services, Inc.
В заключение предлагаем вашему вниманию юридическую справку, отражающую современные нормы закона.
Пауль Хоровиц
Уинфилд Хилл
Март 1989 г.
В этой книге мы предприняли попытку научить читателя приемам конструирования электронных схем на основе примеров и данных, которые на наш взгляд являются точными. Однако примеры, данные и прочую информацию, предназначенную для обучения, не следует использовать в практических приложениях без самостоятельного тестирования и проверки. Тестирование и проверка особенно важны в тех случаях, когда неправильное функционирование может привести к несчастному случаю или повреждению имущества.
В связи с этим мы не даем никаких гарантий, прямых или косвенных, на предмет того, что примеры, данные и прочая информация в этой книге не содержат ошибок, отвечают требованиям промышленных стандартов или требованиям конкретных практических приложений. Авторы и издатель не несут ответственности за коммерческий исход и пригодность для какой-либо практической цели , даже в том случае, если авторы дали совет по практическому использованию и описали пример практического использования в тексте. Авторы и издатель не несут также юридической ответственности за прямые или косвенные, преднамеренные или случайные повреждения, возникшие в результате использования примеров, данных и прочей информации из этой книги.
Предисловие к первому изданию
Перевод О.А. Соболевой
Эта книга представляет собой учебник по разработке электронных схем и одновременно справочное пособие для инженеров, уровень изложения в ней постепенно повышается от простейшего, рассчитанного на новичков, к сложному, требующему глубоких знаний по электронике. Мы строго подошли к выбору круга рассматриваемых проблем и постарались просто и доходчиво изложить основные вопросы, с которыми сталкивается разработчик, стараясь совместить прагматический подход физика-практика и точку зрения инженера, стремящегося к точности и обоснованности в разработке электронной схемы.
Основой для этой книги послужили конспекты курса электроники, которые читаются в Гарварде в течение одного семестра. Аудитория у этого курса довольно неоднородна - это специалисты, закончившие университет и повышающие квалификацию в соответствии со спецификой своей работы в промышленности, студенты-выпускники, стремящиеся к научной работе, и соискатели ученой степени, которые неожиданно обнаружили свою неосведомленность в электронике.
Как показала практика, существующие учебники не подходят для такого курса. Очень хорошие книги написаны по отдельным разделам электроники, но все они предназначены для четырехгодичных курсов обучения или для инженеров, имеющих опыт практической работы; те учебники, в которых сделана попытка рассмотреть предмет электроники в целом, либо перегружены подробностями (и склоняются по стилю к уровню пособий), либо излагают материал очень поверхностно (и больше напоминают советы домохозяйке, чем рекомендации инженерам), либо собраны из неравномерно проработанных частей.
Большая часть материала, излагаемого в учебниках по основам электроники, на практике никогда не применяется и чаще всего для того, чтобы найти какую-нибудь нужную схему или посмотреть, как проводить анализ ее работы, инженеру приходится отыскивать фирменные руководства по применению схем, просматривать технические журналы, доставать дефицитные справочники. Короче говоря, авторы учебников, как правило, излагают теорию и никак не учат искусству схемотехники или проектирования схем.
Мы поставили перед собой задачу написать такую книгу по электронике, которая была бы полезна и инженеру-разработчику, и физику-практику, и преподавателю электроники. Мы придерживаемся мнения, и это находит свое отражение в книге, что электроника - это искусство, которое основано на нескольких основных законах и включает в себя большое количество практических правил и приемов. По этой причине мы сочли возможным полностью опустить проблемы физики твердого тела, модель транзистора с использованием h-параметров, сложную для понимания теорию цепей и свели к минимуму рассмотрение нагрузочных характеристик и использование комплексной s-плоскости. Математических выкладок вы встретите очень мало, зато приводятся разнообразные примеры схем и всячески пропагандируется быстрая прикидочная оценка параметров и характеристик (которую желательно уметь производить "в уме").
Помимо тех проблем, которые обычно рассматривают в учебниках по электронике, наша книга включает следующие вопросы: рассмотрение удобной для использования модели транзистора; построение таких практически полезных схем, как источники тока и токовые зеркала; разработки на базе операционного усилителя с одним источником питания; ряд практических вопросов, по которым часто трудно найти информацию (методы частотной коррекции операционных усилителей, схемы с низким уровнем шумов, схемы ФАПЧ и прецизионные линейные цепи); упрощенный метод разработки активных фильтров с использованием таблиц и графиков; проблемы шумов, экранирования и заземления; оригинальный графический метод анализа усилителя с низким уровнем шумов; источники эталонного напряжения и стабилизаторы напряжения, включая источники питания постоянного тока; мультивибраторы и их разновидности; недостатки цифровых логических схем и пути их устранения; сопряжение с логическими схемами, включая новые типы больших интегральных схем на nМОП- и pМОП-структурах; методы аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования; генерация шумов в цифровых схемах; микропроцессоры и практические примеры их использования; конструирование, печатный монтаж, печатные платы, примеры готовых конструкций, упрощенные способы оценки быстродействия переключательных схем; измерение и обработка данных; описывается, что можно измерить и с какой точностью, как обработать данные; методы сужения полосы пропускания (усреднение сигналов, уплотнение каналов, использование усилителей с защелкой и весовых импульсов); представлена обширная коллекция негодных схем и удачных схем.
Некоторые полезные вопросы вынесены в приложения, из которых вы можете узнать, как чертить принципиальные схемы, какие существуют типы интегральных схем, как проектировать LC-фильтры. В них приведены сопротивления некоторых типов резисторов, рассмотрены осциллографы, сюда же включены некоторые полезные математические выкладки. В книге приведены таблицы с характеристиками распространенных типов диодов, транзисторов, полевых транзисторов, операционных усилителей, компараторов, стабилизаторов, источников эталонных напряжений, микропроцессоров и других устройств.
Мы стремились к конкретности в изложении всех вопросов и поэтому очень часто при рассмотрении той или иной схемы сравнивали между собой характеристики элементов, которые можно использовать в схеме, обсуждали достоинства других вариантов построения схем. В приводимых примерах схем использованы настоящие элементы, а не "черные ящики".
Главная задача состояла в том, чтобы с помощью нашей книги читатель понял, как разрабатывается электронная схема, как выбирается ее конфигурация, типы элементов и их параметры. Отказ от математических выкладок вовсе не означает, что мы хотим научить читателя строить схемы "на глазок", не очень-то заботясь об их характеристиках и надежности. Наоборот, излагаемый подход к разработке электронных схем максимально приближен к реальной жизни, он показывает, как принимаются решения при создании схем в инженерной практике.
Эту книгу можно использовать в качестве учебника для годичного курса по проектированию электронных схем, читаемого в колледжах. Требования к предварительному изучению математики невелики, однако читатель должен иметь представление о тригонометрических и экспоненциальных функциях и дифференциальном исчислении. (В приложение вынесен небольшой обзор по теории функций комплексного переменного и ее основным для электроники результатам.)
Если опустить некоторые разделы, то книгу можно использовать для курса, рассчитанного на один семестр (как в Гарварде).
Отдельно издано руководство к лабораторным работам - "Руководство к лабораторным работам по курсу "Искусство схемотехники" П. Хоровиц и Я. Робинсон, 1981 г.), которое содержит двадцать три лабораторных работы со ссылками на текст нашего учебника.
Для того чтобы облегчить чтение книги ускоренным методом, разделы, которые можно опустить при изучении материала, даны мелким шрифтом. Кроме того, если книга должна быть изучена в течение одного семестра, разумно пропустить первую половину гл. 5, а также гл. 7, 12–14 и, возможно, 15, это отмечено во вводных параграфах к перечисленным главам.
Нам бы хотелось поблагодарить наших коллег за ценные замечания и помощь, которую они оказали при подготовке рукописи, особенно М. Аронсона, Г. Берга, Д. Крауза, К. Девиса, Д. Грайсинджера, Дж. Хагена, Т. Хейеса, П. Хоровица, Б. Клайна, К. Папалиолиса, Дж. Сейджа и Б. Ваттерлинга. Мы выражаем признательность Э. Хайэбру, Дж. Мобли, Р. Джонсон и К. Вернеру из отдела прессы Кембриджского университета за работу, которую они выполнили с большим вкусом, на высоком профессиональном уровне.
Пауль Хоровиц
Уинфилд Хилл
Апрель 1980 г.
Глава 1
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Ввведение
ПереводО. А. Соболевой
Электроника имеет короткую, но богатую событиями историю. Первый ее период связан с простейшими передатчиками ключевого действия и способными воспринимать их сигналы приемниками, которые появились в начале нашего века. Затем наступила эпоха вакуумных ламп, которая ознаменовала собой возможность претворения в жизнь смелых идей.
Сейчас мы являемся свидетелями нового этапа развития электроники, связанного с появлением элементов на твердом теле и характеризующегося неиссякаемым потоком новых ошеломляющих достижений. Технология изготовления больших интегральных схем (БИС) дает возможность производить такие кристаллы кремния, на основе которых создают калькуляторы, вычислительные машины и даже "говорящие машины" со словарным запасом в несколько сотен слов. Развитие технологии сверхбольших интегральных схем открывает возможность создания еще более замечательных устройств.
Наверное, стоит сказать и о том, что в истории развития электроники наблюдается тенденция уменьшения стоимости устройств при увеличении объема их производства. Стоимость электронной микросхемы, например, постоянно уменьшается по отношению к единице ее первоначальной стоимости по мере совершенствования процесса производства (см. рис. 8.87). На самом деле зачастую панель управления и корпус прибора стоят дороже, чем его электронная часть.