П. Хровиц, У. Хилл, Искусство схемотехники в двух томах с дополнением, Издание 3-е, перевод с англ. яз., Москва, "МИР", 1986

На русской языке издается в двух томах. Том I содержит сведения об элементах схем проектировании базовых линейных и цифровых схем, применении линейных и цифровых ИМС, о прецизионных и малошучящих схемах -

Для специалистов в области электроники, автоматики, вычислительной Техники, а также студентов соответствующих специальностей вузов.

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА

Любая область человеческих знаний, основанная на синтезе, на изобретении, неразрывно связана с понятием искусства. Именно этим определяется появление и большой успех таких книг, как «Искусство программирования» Кнута, «Как решать математическую задачу?» Пойя, «Имитационное моделирование: искусство и наука» Шеннона. Книга Хоровида и Хилла достойно продолжает эту традицию в области электроники. Ее характеризуют очень широкий и вместе с тем отнюдь не поверхностный охват проблемы, умение сосредоточить внимание читателя на важных тонкостях, дать ясное представление о методах и принципах синтеза самых разнообразных элементов и узлов аппаратуры. В книге рассмотрены наиболее современные области электроники: мини- и микро-ЭВМ, ИМС преобразователей информации, линейные ИМС высокого уровня интеграции. Ее достоинство заключается не только в освещении наиболее ценных технических решений, но и в анализе типовых ошибок разработчиков аппаратуры, в пристальном внимании к часто опускаемым важным проблемам влияния конструктивных решений на эффективность схем и к трудностям, возникающим на самых разных этапах разработки.

Энциклопедический характер материала, рассмотрение многих аспектов проектирования, обычно отсутствующих в других изданиях, доступность и ясность изложения делают книгу «Искусство схемотехники» ценным пособием для разработчиков, потребителей аппаратуры, эксплуатационников, учащихся и преподавателей.

При чтении книги неизбежно возникают вопросы о практическом применении приводимых в ней схемных решений и, следовательно, о замене используемых в них комплектующих изделий на отечественные. Рекомендуем читателю обратиться к соответствующей справочной литературе 11—4] (см. прилагаемый ниже перечень изданий на русском языке), причем решение указанной задачи само по себе может явиться очень полезным упражнением по проектированию электронных схем. Для более подробного изучения вопросов, затронутых в книге, можно рекомендовать следующую литературу: гл. 2 и 6 — [5], гл. 3 и 7—[6—8], гл. 4—[9] и другие многочисленные пособия, гл. 5— 16], гл. 8—[11], гл. 9—[10], гл. 10, 11—112], гл. 13—16], гл. 14—19].

Перевод книги выполнили: И. И. Короткевич (гл. 12, 13, разд. 14.01—14.05), М. Б. Левин (гл. 4—7 и курс лабораторных работ), В. Г. Микуцкий (гл. 8—10), Л. М. Наймарк (гл. 11 и курс лабораторных работ), О. А. Соболева (гл. 1—3, разд. 14.06—14.19 и приложения).

М. Гальперин

ПРЕДИСЛОВИЕ

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 в 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 электронных схем.

Мы поставили перед собой задачу написать такую книгу по элек- < тронике, которая была бы полезна н 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 й-пара- ; метров, сложную для понимания теорию цепей и свели к минимуму рассмотрение нагрузочных характеристик и использование комплексной я-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 «МОП- и /)МОП-структурах; методы аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования; генерация шумов в цифровых схемах; микропроцессоры и практические примеры их использования; кон- ' струирование, 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 1С-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). Те разделы, которые можно опустить при изучении материала, даны мелким шрифтом, это должно облегчить чтение книги ускоренным методом. Кроме того, если книга должна быть изучена в течение одного семестра, можно пропустить первую половину гл. 4, а также гл. 7, 12—14; 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, особенном. 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. Хай-эберу, 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

Май 1980 г,

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие редактора перевода.....................

Предисловие.......................................................7

Глава 1. Основы электроники............................................Ч

Введение..........................................................11

Напряжение, ток и сопротивление..................................12

Сигналы....................................................29

Конденсаторы и цепи переменного тока............................37

Индуктивности и трансформаторы..................................47

Полное и реактивное сопротивление................................49

Диоды и диодные схемы............................................65

Другие пассивные компоненты....................................78

Дополнительные упражнения......................................86

Глава 2. Транзисторы . . . , ...........................................88

Введение..................................................88

Некоторые основные транзисторные схемы..........................90

Модель Эберса — Молла для основных транзисторных схем..........113

Некоторые типы усилительных каскадов............................127

Некоторые типичные транзисторные схемы..........................146

Схемы, не твебующие пояснении....................................150

Дополнительные упражнения ...................................150

Глава 3. Обратная связь и операционные усилители......................154

Предварительные сведения об обратной связи и операционных усилителях 1F4

Основные схемы включения операционных усилителей................157

Калейдоскоп схем на операционных усилителях..................164

Подробный анализ работы операционных усилителен ..............172

Подробный анализ работы некоторых схем на ОУ..................2п0

Компараторы и триггер Шмитта.............................212

Обратная связь и усилители с конечным усилением..................216

Некоторые типичные схемы g операционными усилителями..........226

Частотная коррекция усилителей с обратной связью.........230

Схемы, не требующие пояснений ............................242

Дополнительные упражнения ....................246

Глава 4. Активные фильтры и генераторы................243

Активные фильтры................................................248

Схемы активных фильтров........................................262

Генераторы.............................................270

Схемы, понятные без пояснении....................................281

Дополнительные упражнения.................... 283

Глава 5. Стабилизаторы напряжения и источиикн питания ........ 284

Базовые схемы стабилизаторов на основе классической Ш1С 723 . . . 285

Проектирование теплоотвода мощных схем............. 291

Нестабилизированные источники питания..........................305

Источники опорного напряжения .........................314

Трехвыводные и четырехвьгаодные стабилизаторы....................325

Источники питания специального назначения ........................335

Схемы, не требующие пояснений .............................356

Дополнительные упражнения......................................360

Глава 6. Полевые транзисторы............................................361

Характеристики полевых транзисторов..............................361

Основные схемы на ПТ............................................374

Ключи на ПТ . . . . .............................................390

Примеры схем на ПТ..............................................402

Схемы, понятные без пояснений ....................................418

Глава 7. Прецизионные схемы и малошумящая аппаратура....... . 419

Разработка прецизионной аппаратуры на операционных усилителях 419

Дифференциальные и приборные усилители....................446

Шумы усилителей....................................458

Измерение шума и источники шума................................480

Помехи: экранирование и заземление ................................486

Схемы, не требующие пояснений..................................496

Дополнительные упражнения......................................496

Глава 8. Цифровые схемы................................................499

Основные логические понятия......................................499

ТТЛ и КМОП....................................................516

Комбинационная логика ..... ..................................524

Последовательная логика..........................................540

Диаграмма состояний как инструмент проектирования..............552

Стандартные ИМС для выполнения последовательных функций . . . 563

Некоторые типовые схемы цифровой техники . . . ...............576

Патологии в логических схемах...................587

Схемы, не требующие пояснений..................................593

Дополнительные упражнения......................................593