Хоровиц и хилл. Соотношение точности и динамического диапазона

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 ).

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

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.

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 ).