[Перевод] Предисловие к книге «Искусство схемотехники: сборник X-глав»

Представляю вашему вниманию предисловие к книге, которое издательство «Cambridge University Press» наконец-то выложило в открытый доступ (ссылка). Теперь у нас есть возможность познакомиться с книгой напрямую, от лица авторов. Приятного прочтения!

Предисловие

Почему «сборник X-глав»? Ответ прост: это сборник дополнительных глав (от слова «eXtra»), которые не вместились в объем (1250 страниц) основной книги – третьего издания «Искусства схемотехники». В этих главах завершено обсуждение тех вопросов, которые были подняты в основной книге.

Но это было бы слишком просто. Сначала немного предыстории. Нас часто спрашивают о том, чем же является наша книга: учебником или справочником. Мы однозначно отвечаем: и тем, и тем. Хоть книга и основана на базе рукописного сборника конспектов¹ для только зародившегося курса схемотехники в «Лаборатории электроники» «Гарвардского университета» (в 1974 году), но впоследствии, она приобрела широкую аудиторию среди проектировщиков электронной техники. Как среди профессиональных, так и среди большого сообщества энтузиастов.

Существует определенное противоречие между структурой учебника и структурой справочника. Учебник излагает материал в логической последовательности, в то время как справочник поделен на тематические разделы. Например, в своей книге мы раскрываем тему источников тока и возвращаемся к ней по мере изучения новых подручных средств. В первой главе мы берем источник напряжения с последовательно подключенным резистором. В следующей главе мы используем биполярный транзистор (БТ) с эмиттерным резистором (в простом варианте, затем с компенсацией V_BE, потом токовое зеркало Уилсона или каскод для устранения эффекта Эрли). В главе 3 тоже нет никаких сюрпризов: мы создали источники тока на полевых транзисторах (ПТ) и гибридный, на БТ и ПТ. В главе 4 представлено высокоэффективное средство проектирования высокоточных источников тока в виде операционных усилителей (ОУ). Эта тема продолжается и в следующей главе о высокоточном проектировании. На этом мы не останавливаемся и в главе 7: представляем на всеобщее обозрение еще больше источников тока (на этот раз применительно к генераторам пилообразного напряжения). В главе об источниках питания (Глава 9) мы возвращаемся к теме источников тока («препарированы» трехвыводные стабилизаторы напряжения). И наконец, источники тока эпизодически появляются в главе об аналого-цифровом и цифроаналоговом преобразованиях (Глава 13) в виде высокоточных источников с программируемым цифровым управлением, источников малых токов (с размерностью токов в нА), высоковольтных источников плавающего тока, источников с регулируемыми катушками и прочих.

Подобная структура материала книги удобна как для коллективного обучения, так и для самообразования. Но она не оптимальна для тех, у кого серьезный опыт в электронике и кому необходимо спроектировать источник тока, соблюдая баланс между техническими требованиями. Для подобной задачи предпочтительнее будет справочник с разделом, который назван «Проектирование источников тока». Первоначально мы планировали включить Х-главы² в основную книгу в качестве приложений. В них должны были войти дополнительные темы для изучения и рекомендации по применению в более опосредованной форме. Но включение подобных приложений в основную книгу показалось уже неуместным. К тому времени объем основной книги достиг 1200 страниц (без X-глав) и стало понятно, что нам необходимо чуть позднее выпустить наши дополнительные главы в виде отдельной книги. Нам все же удалось втиснуть кое-что в основную книгу: в основном в главы 5 и 8 («Высокоточные схемы», «Проектирование с низкими шумами»). В отдельную книгу вошли все дополнительные материалы, которыми мы хотели дополнить главы 1, 2, 3, 4 и 9 основной книги (со схожей нумерацией).

Теперь о самой книге «Искусство схемотехники: сборник X-глав». Избавившись от ограничений, свойственных стилю учебника, мы создали книгу как сборник коротких историй на темы, которые различны, более глубоки, важны, оригинальны или немного забавны. Мы их считаем маленькими драгоценностями, «жемчужным ожерельем электроники» (как выразился наш редактор). Их характер отличен от тем основной книги «Искусство схемотехники».

Перечислим несколько примеров из почти 100 основных тематических заголовков.

• Проводные соединения: поверхностный эффект, взаимное влияние, экранирование, волновое сопротивление в печатных платах (ПП).

• Резисторы и конденсаторы: нелинейность, температурный коэффициент, паразитные свойства, импульсная нагрузка и многое другое.

• Подробное обсуждение катушек индуктивности (наконец-то): сердечники, зазоры и все по теме.

• Упрощенная трактовка «полюсов», «нулей» и s-плоскости.

• Переключатели и реле: деградация контактов, «сухое» переключение, управление катушкой и многое другое.

• Диоды: утечка, обратное восстановление, ступенчатое восстановление, туннельные диоды.

• Токовые зеркала с биполярным питанием.

• О фактических токах утечки в БТ и ПТ с p-n-переходом.

• Искажения в усилителе на БТ: исследование средствами языка «SPICE».

• Паразитная генерация в эмиттерном повторителе.

• О том, почему на выходе эмиттерного повторителя наблюдается индуктивное поведение.

• Примеры проектирования от профессионалов:

  a) усилитель с волновым сопротивлением 50 Ом, питанием ± 20 В, быстродействием 5 нс;

  b) «пуленепробиваемая» защита по входу;

  c) выходной каскад Монтичелли (Monticelli);

  d) широкополосный (7-декад), линейный усилитель, с передаточным импедансом.

• ПТ с p-n-переходом: ознакомительный тур с более пристальным вниманием.

• МОП ПТ как линейные транзисторы: линейные усилители на КМОП.

• Работа источников тока на МОП ПТ в обедненном режиме.

• Высоковольтные источники тока с малой емкостью.

• Энергия импульса в мощных МОП ПТ.

• Схемы управления затворами МОП ПТ.

• Высоковольтные генераторы импульсов.

• Высоковольтный щуп с входным сопротивлением ˃ 1 ГОм.

• Биполярный транзистор с изолированным затвором, БТСИЗ (IGBT), и другие мощные полупроводниковые приборы.

• Низковольтные переключатели: МОП ПТ в сравнении с БТ.

• История операционных усилителей (ОУ): от металлостеклянного корпуса фирмы «Philbrick» до технологии поверхностного монтажа, ТПМ (SMT).

• Стабильность обратной связи, ОС, и сдвиг по фазе.

• Компенсация входного тока смещения в ОУ с входным каскадом на БТ.

• Усилители с передаточным импедансом: частотный диапазон и стабильность работы.

• Высокоточный высоковольтный усилитель.

• Нормирующее соотношение для усилителя с передаточным импедансом.

• Повторители (буферы).

• Пояснение механизма обратной связи по току в усилителях.

• «Подводные камни» ОУ с динамическим диапазоном выходного сигнала в пределах шин питания.

• Кремниевые фотоумножители.

• Аналоговые вычислительные схемы: аттрактор Лоренца.

• Высоковольтные источники тока с биполярным питанием.

• Снижение пульсаций широтно-импульсной модуляции, ШИМ (PWM).

• Защита от обратной полярности.

• Трансформатор + выпрямитель + конденсатор = опасные «грабли».

• Низковольтный ограничитель напряжения, защита от перенапряжения.

• Высокоэффективные («экологичные») импульсные источники питания.

• Коррекция коэффициента мощности.

• Датчики тока со стороны высоковольтной части схемы.

• «Трансформатор постоянного тока» (преобразователь напряжения питания).

• Остерегайтесь поддельных зарядных устройств (и не втыкайте «ЭТО» в свое устройство от фирмы «Apple»)!

• Ультраизолированные источники питания с низкими шумами.

• Импульсные преобразователи отрицательного напряжения питания.

• Высокоточные источники отрицательного напряжения питания для смещения кремниевых фотоумножителей.

• Высоковольтные стабилизаторы отрицательного напряжения питания.

• Высокоточный лабораторный источник питания с низкими шумами.

• ШИМ для электродвигателя постоянного тока: разрушаем миф.

• Электропитание для формирования луча света.

• Быстрые формирователи световых импульсов на светоизлучающих диодах, СИД.

• Возвращаемся к теме «Слишком жарко!»: различные методы термометрии.

• Защита от переходного напряжения и его тепловое влияние.

• МОП ПТ с малой емкостью: защита затвора.

• Управление зарядом пьезоманипулятора.

• Высокоточный генератор пилообразного напряжения с амплитудой 1500 В и длительностью 1 мкс.

• Быстрое отключение высокоэнергетичного магнитного поля.

Мы надеемся привлечь разнообразную аудиторию. С наслаждением экспериментируя над схемами, мы переносили на страницы этой книги то главное, что позволяет ею удобно пользоваться. Как говорят французы: «Бон апетиˊ!»^П1

Благодарности

И вновь во главе списка наш неутомимый редактор Дэвид Трана (David Tranah), к которому относимся с огромной благодарностью. Наша опора, незаменимый помощник с программой «LATEXpert», мудрый советник по всем издательским вопросам и даже (верите ли) наборщик текста! Он вытерпел парочку привередливых авторов и принял их во время последнего посещения родного издательства «Cambridge University Press».

Выражаем признательность исключительному проектировщику в области электроники, Джиму Макартуру (Jim Macarthur)! За его внимательное прочтение черновиков глав книги и за значительные рациональные предложения. Мы применили все из них. Наш коллега, Питер Лю (Peter Lu), обучил нас премудростям программы «Adobe Illustrator» и приходил на выручку, когда мы жаловались, что в тупике. Рисунки в книге свидетельствуют о качестве его руководства над нами. Мы в неоплатном долгу перед Майком Бѐрнсом (Mike Burns) за его внимательную вычитку книги и расчеты сложных математических функций.

Мы благодарим Стива Сервина (Steve Cerwin), Тома Хейса (Tom Hayes), Фила Хоббса (Phil Hobbs), Питера Хоровица (Peter Horowitz), Джона Ларкина (John Larkin), Мэгги Макфи (Maggie McFee), Али Мехмеда (Ali Mehmed) и Джима Томпсона (Jim Thompson), за их многочисленный вклад. Мы также благодарим всех тех (а такие люди есть), кого тут не перечислили и приносим за это свои извинения. Отдельные личности (такие как Кейт Биллингс [Keith Billings], Кент Лундберг [Kent Lundberg] и Стив Вудворт [Steve Woodward]), предоставившие материалы для книги (схемы, прикладные браузерные программы, необычные измерения и т. д.), упоминаются в книге в соответствующих местах.

Мы очень признательны на этапе создания книги нашему редактору, Йону Билламу (Jon Billam), за его тонкую работу. Мы благодарим коллектив неизвестных графических оформителей, которые преобразовали наши рукописные схемные зарисовки в качественную векторную графику.

И в качестве заключения. Мы в вечном долгу перед нашими любящими, отзывчивыми и терпеливыми женами, Видой (Vida) и Авой (Ava). Они на протяжении десятилетий страдали от недостатка внимания, пока их одержимые мужья пытались в третий раз заслужить ваши овации.

Пол Хоровиц

Уинфилд Хилл

август 2019

город Кембридж, штат Массачусетс

Актуальные статьи по теме

Как не потеряться в отечественных изданиях «Искусства схемотехники»

Интервью авторов «Искусства схемотехники» сообществу «element14» (05.06.2015)

«Искусство схемотехники»: предисловие к 3 изданию

Предисловие к книге «Постижение искусства схемотехники: практическое руководство»

Опубликовано второе издание книги «Постижение искусства схемотехники: практическое руководство»

Предисловие ко второму изданию книги «Постижение искусства схемотехники: практическое руководство»

Истина где‑то тут! «Искусство схемотехники: сборник X‑глав»

Опубликовано второе издание книги «Искусство схемотехники: сборник X‑глав»

«Искусство схемотехники»: отзыв о русскоязычной версии третьего оригинального издания

«Искусство схемотехники: часть вторая цифровая»: отзыв о русскоязычной версии третьего оригинального издания

Если эта публикация вас вдохновила и вы хотите поддержать автора — не стесняйтесь нажать на кнопку