Хоровиц и хилл. Соотношение точности и динамического диапазона. Прецизионные схемы и малошумящая аппаратура
Хоровиц Пауль, Хилл Уинфилд
«Искусство схемотехники»
(Главы 1–6)
Издание 4-е переработанное и дополненное
THE ART OF ELECTRONICS
Paul Horowitz Harvard University
Winfield Hill Rowland Institute for Science, Cambridge, Massachusetts
CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS
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 ).
Хоровиц Пауль, Хилл Уинфилд
«Искусство схемотехники»
Том 2
(Главы 7–10)
Издание 4-е переработанное и дополненное
THE ART OF ELECTRONICS
Paul Horowitz Harvard University
Winfield Hill Rowland Institute for Science, Cambridge, Massachusetts
CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS
New York Port Chester Melbourne Sydney
Глава 7
ПРЕЦИЗИОННЫЕ СХЕМЫ И МАЛОШУМЯЩАЯ АППАРАТУРА
Перевод Б. Н. Бронина
В предыдущих главах мы рассмотрели многие аспекты проектирования аналоговых схем, включая свойства пассивных элементов и транзисторов, ПТ и ОУ, обратную связь, а также рассмотрели ряд применений этих устройств и методов схемотехники. Но в этих рассуждениях не ставился вопрос о лучшем из возможных вариантов, например о минимизации ошибок усилителя (нелинейность, дрейф и т. д.), или об усилении слабого сигнала с наименьшим искажением за счет «шума» усилителя. Эти вопросы во многих случаях составляют существо дела, и поэтому они являются важной частью искусства схемотехники. Поэтому в данной главе мы рассмотрим методы проектирования прецизионных схем и проблемы шумов усилителя. При первом чтении всю эту главу можно пропустить, за исключением разд. 7.11 , в котором вводится понятие «шум усилителя». Для понимания следующих глав материал данной главы несуществен.
Разаработка прецизионной аппаратуры на операционных усилителях
При измерении и управлении часто нужны высокопрецизионные схемы. Схемы управления должны быть точными, устойчивыми относительно времени и температуры, а их поведение - предсказуемым. Так же и ценность измерительного прибора зависит от его точности и стабильности. Почти во всех областях электроники существует желание сделать все более точно - можно назвать это стремлением к совершенству. Если вам и не нужна такая высочайшая точность, приятно иметь точные приборы, чтобы до конца понимать, что происходит.
7.01. Соотношение точности и динамического диапазона
Понятия точность и динамический диапазон легко спутать, поскольку иногда одна и та же аппаратура используется для достижения и того, и другого. Может быть, разницу можно лучше всего пояснить на ряде примеров: у 5-разрядного цифрового многошкального прибора - прецизионная точность; измерения напряжения им делаются с точностью 0,01 % и выше. Такое устройство также имеет широкий динамический диапазон - от миливольт до вольт на одной и той же шкале. Точный десятичный усилитель (например, с коэффициентом усиления, выбираемым из ряда значения 1, 10, 100) и прецизионный опорный источник напряжения могут иметь достаточную точность, но не обязательно широкий динамический диапазон. Примером устройства с широким динамическим диапазоном, но скромной точностью служит шестидекадный логарифмический усилитель (ЛУ), построенный на тщательно подогнанных ОУ, но с применением элементов, имеющих точность всего лишь 5 %; даже при использовании более точных элементов ЛУ может иметь ограниченную точность за счет несоответствия при крайних значениях тока характеристик используемого для преобразования транзисторного перехода логарифмической зависимости. Другой пример устройства с широким динамическим диапазоном (диапазон входного тока более чем 10000:1) при весьма скромной точности 1 % - это кулонометр, описанный в разд. 9.26 . Вначале он был спроектирован для определения суммарного заряда электрохимического элемента - величины, которую достаточно знать с точностью 5 %, но которая образуется в результате действия тока, изменяющегося в широком диапазоне. Общее свойство устройств с широким динамическим диапазоном это то, что входное смещение должно быть тщательно отрегулировано для обеспечения пропорциональности при уровне сигнала, близком к нулю. При проектировании прецизионной аппаратуры это также необходимо, но там для удержания суммарной погрешности в рамках так называемого бюджета погрешности требуются также прецизионные элементы, устойчивые генераторы опорных напряжений, и внимание ко всем возможным источникам погрешностей.
7.02. Бюджет погрешностей схемы
Несколько слов о бюджете погрешности. Начинающие разработчики часто попадают в ловушку, считая, что несколько стратегически правильно расположенных прецизионных элементов дадут устройство с прецизионными параметрами. В каких-то редких случаях, может быть, так и получится. Но даже схема, битком набитая резисторами 0,01 % и дорогостоящими ОУ, не оправдывает ваших ожиданий, если на каком-то участке схемы смещение выходного тока, умноженное на сопротивление источника, даст погрешность смещения напряжения, например 10 мВ. Подобного рода погрешности встречаются почти в любой схеме, и важно их выявить, хотя бы для того, чтобы найти место, где требуется устройство с лучшими параметрами или где нужно изменить схему. Такой подсчет бюджета погрешности рационализирует проектирование, во многих случаях позволяет обойтись недорогими элементами и точно оценить характеристики схемы.
7.03. Пример схемы: прецизионный усилитель с автоматическим выбором нуля
Для иллюстрации предшествующих рассуждений мы спроектировали схему прецизионного декадного усилителя с автоматическим поиском начального уровня. Такое устройство позволяет зафиксировать некоторое значение входного сигнала и усиливать его последующие отклонения от этого уровня с коэффициентом, точно равным 10, 100 или 1000. Это окажется весьма удобным в эксперименте, при котором измеряется малое отклонение какой-нибудь величины (например, светопроницаемости или поглощения радиочастоты) при изменении условий эксперимента. Обычно трудно точно измерить малое изменение большого сигнала постоянного тока вследствие дрейфа и неустойчивости усилителя. В таком случае нужна схема с предельной прецизионностью и устойчивостью. Мы опишем методы и ошибки, которые мы допускали при проектировании этой конкретной схемы, в рамках общего описания процесса прецизионного проектирования и таким образом безболезненно изложим то, что иначе могло бы стать утомительным поучением. Одно предварительное замечание: заманчивой альтернативой к этой чисто аналоговой схеме могла бы стать цифровая аппаратура. (В следующих главах следите за захватывающими открытиями!). Проектируемая схема изображена на рис. 7.1.
Рис. 7.1. Лабораторный усилитель постоянного тока с автоподстройкой нуля.
Описание схемы. Основа схемы-повторитель (U 1), подключенный ко входу неинвентирующего усилителя с переключаемым коэффициентом усиления (U 2), выход которого смещается сигналом, приложенным к его неинвертирующему входу. Транзисторы Т 1 и Т 2 - это ПТ, они применяются как простые аналоговые ключи; Т 3 - Т 5 используются для формирования необходимых уровней управления ключами от входного логического сигнала. Транзисторы Т 1 - Т 5 можно заменить на реле или, если угодно, на выключатели. Можете представить их себе как простые однополюсные переключатели на одно направление (1П1Н).
В том случае когда логический входной сигнал имеет высокий уровень («хранение»), ключи замкнуты и U 3 заряжает аналоговый конденсатор «памяти» (С 1) до уровня, необходимого для поддержания нулевого выходного сигнала. При этом схема не делает «никаких попыток» отслеживать быстрые изменения выходного сигнала, поскольку в применениях, для которых предназначена эта схема, все сигналы - постоянного тока, и некоторое сглаживание является желательным свойством. Когда ключ размыкается, напряжение на конденсаторе фиксируется, в результате чего выходной сигнал оказывается пропорциональным последующему отклонению входного сигнала.
Перед дальнейшим детальным объяснением принципов работы данной прецизионной схемы следует остановиться на ее некоторых дополнительных особенностях, (a) U 4 включен в схему первого порядка компенсации тока утечки конденсатора С 1 ; конденсатор имеет тенденцию медленно разряжаться через собственное сопротивление утечки (минимум 100 ТОм, т. е. постоянная времени около двух недель!); при этом ток утечки компенсируется небольшим зарядным током через R 15 , пропорциональным напряжению на С 1 . (б) Вместо одинарного ПТ-ключа применены два ключа, которые соединены последовательно в «защищенное от утечки» устройство. Небольшой ток утечки Т 2 в положении «выкл» проходит на землю через R 23 , поддерживая потенциал на всех выводах Т 1 в пределах милливольт по отношению к земле. Так как нет сколько- нибудь заметного перепада напряжений на Т
Annotation
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.
Хоровиц Пауль, Хилл Уинфилд
Предисловие
Предисловие к первому изданию
Ввведение
Напряжение, ток и сопротивление
Конденсаторы и цепи переменного тока
Индуктивности и трансформаторы
Полное и реактивное сопротивление
Диоды и диодные схемы
Другие пассивные компоненты
Дополнительные упражнения
Введение
Некоторые основные транзисторные схемы
Модель Эберса-Молла для основных транзисторных схем
Некоторые типы усилительных каскадов
Некоторые типичные транзисторные схемы
Схемы, не требующие пояснений
Дополнительные упражнения
Введение
Основные схемы на ПТ
Ключи на ПТ
Схемы, не требующие пояснений
Введение
Основные схемы включения операционных усилителей
Калейдоскоп схем на операционных усилителях
Подробный анализ работы операционных усилителей
Подробный анализ работы некоторых схем на ОУ
Работа ОУ с одним источником питания
Компараторы и триггер Шмитта
Обратная связь и усилители с конечным усилением
Некоторые типичные схемы с операционными усилителями
Частотная коррекция усилителей с обратной связью
Схемы, не требующие пояснений
Дополнительные упражнения
Активные фильтры
Схемы активных фильтров
Генераторы
Схемы, не требующие пояснений
Дополнительные упражнения
Базовые схемы стабилизаторов на основе классической ИМС 723
Проектирование теплоотвода мощных схем
Нестабилизированные источники питания
Источники опорного напряжения
Трехвыводные и четырехвыводные стабилизаторы
Источники питания специального назначения
Схемы, не требующие пояснений
Дополнительные упражнения
Хоровиц Пауль, Хилл Уинфилд
«Искусство схемотехники»
Том 1
(Главы 1–6)
Издание 4-е переработанное и дополненное
THE ART OF ELECTRONICS
Paul Horowitz Harvard University
Winfield Hill Rowland Institute for Science, Cambridge, Massachusetts
CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS
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 ).
П. Хорвиц, У. Хилл «Искусство схемотехники» Бином, 2014 год, 706 стр. (31,2 мб. pdf)
Это объединенное (1т. и 2т.) издание выходившего ранее трехтомника. В книгу вошли наиболее важные материалы публиковавшиеся в трехтомнике. Книга представляет собой учебное пособие по разработке электронных схем. В руководстве приводится информация по основам электроники (физические законы и работа основных компонентов элементной базы), модельным аналогиям и компоновке схем электронных полупроводниковых приборов (транзисторы и полевые ).
Рассмотрена работа операционных усилителей, построение схем и подробный анализ их работы, схемы активных фильтров и генераторов, а также стабилизаторов напряжения и схемы источников питания. Для разработчиков электронной аппаратуры представлен материал по цифровым схемам с использованием элементов логики и разработке прецизионных схемотехнических решений. Весь материал данного издания переработан с учетом современных тенденций развития радиоэлектронной элементной базы. В конце каждой главы приводятся упражнения для самостоятельной учебной работы. Новое издание отвечает требованиям всех читателей, от студентов до инженеров практиков.
ISBN 978-5-9518-0351-1
ГЛАВА 1.
Перевод О. А. Соболевой 8
Введение 8
Напряжение, ток и сопротивление 8
Сигналы 22
Конденсаторы и цепи переменного тока 27
Индуктивности и трансформаторы 35
Полное и реактивное сопротивление 36
Диоды и диодные схемы 50
Другие пассивные компоненты 61
Дополнительные упражнения 66
ГЛАВА 2. Транзисторы
Перевод О. А. Соболевой 68
Введение 68
Некоторые основные транзисторные схемы 70
Модель Эберса — Молла для основных транзисторных схем 87
Некоторые типы усилительных каскадов 99
Некоторые типичные транзисторные схемы 114
Схемы, не требующие пояснений 116
Дополнительные упражнения 120
ГЛАВА 3. Полевые транзисторы
Перевод Б. Н. Брони на 121
Введение 121
Основные схемы на полевых транзисторах 132
Ключи на полевых транзисторах 149
Схемы, не требующие пояснений 180
ГЛАВА 4. Обратная связь и операционные усилители
Перевод О. Л. Соболевой 181
Введение 181
Основные схемы включения операционных усилителей 184
Калейдоскоп схем на операционных усилителях 190
Подробный анализ работы операционных усилителей 196
Подробный анализ работы некоторых схем на операционных усилителях 227
Диэлектрическое поглощение 233
Работа операционного усилителя с одним источником питания 240
Компараторы и триггер Шмитта 245
Обратная связь и усилители с конечным усилением 248
Некоторые типичные схемы с операционными усилителями 255
Частотная коррекция усилителей с обратной связью 260
Схемы, не требующие пояснений 268
Дополнительные упражнения 268
ГЛАВА 5. Активные фильтры и генераторы
Перевод М Н. Микшиса 278
Активные фильтры 278
Схемы активных фильтров 288
Генераторы 300
Схемы, не требующие пояснений 321
Дополнительные упражнения 323
ГЛАВА 6. Стабилизаторы напряжения и источники питания
Перевод АЖ Коротова 324
Базовые схемы стабилизаторов на основе классической ИМС 723 324
Проектирование теплоотвода мощных схем 329
Нестабилизированные источники питания 343
Источники опорного напряжения 349
Трехвыводные и четырехвыводные стабилизаторы 360
Источники питания специального назначения 389
Схемы, не требующие пояснений 405
Дополнительные упражнения 411
ГЛАВА 7. Прецизионные схемы и малошумящая аппаратура
Перевод Б.Н. Бронина 412
Разработка прецизионной аппаратуры на операционных усилителях 412
Дифференциальные и измерительные усилители 445
Шумы усилителей 454
Измерение шума и источники шума 473
Помехи: экранирование и заземление 479
Схемы, не требующие пояснений 489
Дополнительные упражнения 493
ГЛАВА 8. Цифровые схемы
Перевод Ю. В. Чечеткина 495
Основные логические понятия 495
Логические уровни 497
ТТЛ и КМОП 507
Комбинационная логика 515
Последовательностная логика 529
Моностабильные мультивибраторы 540
Последовательностные функции, реализуемые на стандартных ИМС 547
Некоторые типовые цифровые схемы 567
Патология в логических схемах 574
Схемы, не требующие пояснений 580
Дополнительные упражнения 583
ГЛАВА 9. Сопряжение цифровых и аналоговых сигналов
Перевод Л. В. Поспелова 590
Сопряжение логических КМОП и ТТЛ-элементов 590
Цифровые сигналы и длинные линии 626
Ан алого цифровое преобразование 640
Примеры А/Ц-преобразования 664
Схемы фазовой автоподстройки частоты 671
Псевдослучайные двоичные последовательности и генераторы шума 684
Схемы, не требующие пояснений 697
Дополнительные упражнения 700
На русском языке издается в трех томах.
Содержание ТОМ-3
Том 3 содержит сведения о микропроцессорах, радиотехнических схемах, методах измерения и обработки сигналов, принципах конструирования аппаратуры и проектирования маломощных устройств, а также обширные приложения.
Для специалистов в области электроники, автоматики, вычислительной техники, а также студентов
соответствующих специальностей вузов и техникумов.
Название: Искусство схемотехники. Том 1-3
Авторы: Хоровиц П., Хилл У.
Издательство: Мир
Год: 1993
Формат: PDF
Язык: Русский
Размер: 103.2 Мб
Скачать: Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1-3
В случае обнаружения "битых" ссылок -
Вы можете оставить комментарий, и ссылки будут восстановлены в ближайшее время.