Предисловие к книге «Искусство схемотехники: сборник Х глав»

14 Окт в 11:20 Прокомментировать Просмотры: 1

Лицевая сторона обложки книги

Предлагаю вашему вниманию вступительное слово к изданию, которое издательство «Cambridge University Press» наконец-то опубликовало в свободном доступе (ссылка). Теперь каждый может ознакомиться с материалом из первых рук, непосредственно от создателей. Желаю увлекательного чтения!

Предисловие

К чему название «сборник X-глав»? Ответ предельно прост: это подборка дополнительных разделов (от латинского префикса eXtra), которые попросту не поместились в рамки фундаментального труда — третьего издания «Искусства схемотехники», насчитывающего 1250 страниц. Эти очерки логически завершают темы, затронутые в основной книге.

Впрочем, всё не так банально. Обратимся к истокам. Нас регулярно спрашивают, чем же в первую очередь является наша работа — учебным пособием или настольным справочником. Наш ответ неизменен: и тем, и другим. Хотя в основе лежит рукописный сборник лекций¹ для зарождавшегося в 1974 году курса схемотехники в Лаборатории электроники Гарвардского университета, со временем аудитория издания выросла колоссально, охватив как профессиональных инженеров, так и обширное сообщество увлеченных энтузиастов.

Удовлетворить любопытство можно по ссылке: https://vk.com/@shemotech-predystoriya-sozdaniya-knigi-iskusstvo-shemotehniki.

Между логикой учебника и структурой справочника всегда существует внутренний конфликт. Учебник ведет читателя последовательно, тогда как справочник разбит на предметные модули. Например, в нашей книге мы впервые касаемся источников тока в самом начале, а затем возвращаемся к ним по мере освоения новых компонентов. В первой главе мы рассматриваем простейший источник напряжения с последовательным резистором. В следующей задействуем биполярный транзистор (БТ) с резистором в эмиттере (сперва базовый вариант, затем с компенсацией V_BE, после — токовое зеркало Уилсона или каскодную схему для борьбы с ранним эффектом). Третья глава не преподносит сюрпризов: здесь мы строим источники тока на полевых транзисторах (ПТ), а также гибридные решения на биполярных и полевых приборах. В четвертой главе в качестве мощного инструмента для прецизионного проектирования выступают операционные усилителе (ОУ), и эта линия продолжается в следующей главе, посвященной высокоточным схемам. На этом мы не останавливаемся: в главе 7 мы демонстрируем еще больше вариаций источников тока (уже применительно к генераторам пилообразного напряжения). В девятой главе, посвященной блокам питания, мы вновь обращаемся к источникам тока, детально препарируя трехвыводные стабилизаторы. Наконец, они эпизодически возникают и в тринадцатой главе, посвященной ЦАП и АЦП, в виде прецизионных программируемых цифровых источников, наноамперных микроисточников, высоковольтных плавающих схем и регулируемых индуктивностей.

Подобная архитектура подачи материала идеальна как для академических занятий, так и для самообразования. Однако она не всегда удобна для опытного инженера, которому необходимо спроектировать конкретный источник тока, строго выдержав технические требования. Для таких инженерных задач гораздо лучше подходит справочный формат с профильным разделом вроде «Проектирование источников тока». Изначально мы планировали включить Х-главы² в основной том в качестве приложений, содержащих углубленные теоретические выкладки и прикладные рекомендации. Однако от этой идеи пришлось отказаться: к тому моменту объем базовой части уже перевалил за 1200 страниц, и стало очевидно, что дополнительные материалы нужно оформлять в виде отдельного тома. Кое-что нам всё же удалось интегрировать в основные главы 5 и 8 («Высокоточные схемы» и «Проектирование малошумящих систем»), но все остальные материалы, органично продолжающие главы 1, 2, 3, 4 и 9, вошли в самостоятельную книгу.

Это также тонкая отсылка к агентам Малдеру и Скалли с их крылатой фразой «Истина где-то рядом» из культового сериала «Секретные материалы» (в оригинале — «X-Files»).

Пару слов о самом сборнике «Искусство схемотехники: сборник X-глав». Сбросив оковы академического изложения, мы написали эту книгу как серию увлекательных технологических новелл — глубоких, нетривиальных, подчас с легким юмором. Наш редактор метко назвал их «жемчужным ожерельем электроники». Они стоят особняком по отношению к основному курсу «Искусства схемотехники».

Приведем лишь малую часть из почти сотни подробнейших тематических разделов:

Проводные линии связи: скин-эффект, перекрестные помехи, экранирование, волновое сопротивление дорожек печатных плат (ПП).

Резисторы и конденсаторы: нелинейность, температурные коэффициенты, паразитные параметры, импульсные нагрузки и многое другое.

Исчерпывающий разбор индуктивностей (наконец-то!): свойства сердечников, воздушные зазоры и все сопутствующие тонкости.

Доступное объяснение «полюсов», «нулей» и комплексной s-плоскости.

Коммутационные элементы и реле: деградация контактов, «сухое» переключение, специфика управления обмоткой.

Диоды: токи утечки, обратное восстановление, резкое восстановление, туннельные структуры.

Токовые зеркала с двухполярным питанием.

Реальные токи утечки в биполярных и полевых транзисторах с p-n-переходом.

Анализ нелинейных искажений в каскадах на БТ с помощью симулятора SPICE.

Источники паразитной генерации в эмиттерных повторителях.

Причины возникновения индуктивного характера сопротивления на выходе эмиттерного повторителя.

Мастер-классы от профессионалов:

a) усилитель на 50 Ом с питанием ±20 В и временем отклика 5 нс;

b) «неубиваемая» входная защита;

c) знаменитый выходной каскад Монтичелли;

d) широкополосный семидекадный линейный усилитель с трансрезистансом.

ПТ с p-n-переходом: глубокое погружение в характеристики.

МОП-транзисторы в линейном режиме: линейные усилители на КМОП-элементах.

Применение обедненных МОП-транзисторов в схемах источников тока.

Высоковольтные источники тока с минимизированной емкостью.

Энергетические характеристики импульсов в мощных силовых МОП-структурах.

Схемотехника драйверов затворов мощных транзисторов.

Генераторы высоковольтных импульсов.

Высоковольтный измерительный щуп с входным сопротивлением свыше 1 ГОм.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и прочие мощные полупроводники.

Низковольтные ключи: сравнительный анализ МОП и биполярных технологий.

Эволюция операционных усилителей: от модулей Philbrick в металлостеклянных корпусах до современной поверхностной монтажной базы (SMT).

Обеспечение стабильности обратной связи и фазовые запасы.

Компенсация входных токов смещения в операционных усилителях с биполярным входом.

Трансрезисторные усилители: полоса пропускания и устойчивость.

Прецизионные усилители высокого напряжения.

Нормированные соотношения параметров для трансрезисторных схем.

Буферные каскады и повторители.

Физика процессов в усилителях с токовой обратной связью.

Скрытые «подводные камни» операционных усилителей с rail-to-rail выходом.

Кремниевые фотоумножители в деталях.

Аналоговое моделирование: аппаратная реализация аттрактора Лоренца.

Двухполярные высоковольтные генераторы тока.

Методы подавления пульсаций в ШИМ-контроллерах.

Надежная защита от переполюсовки.

Трансформатор + выпрямитель + конденсатор: классические грабли инженера.

Быстродействующие низковольтные ограничители перенапряжения.

Энергоэффективные импульсные блоки питания нового поколения.

Схемы коррекции коэффициента мощности (PFC).

Датчики тока в цепях высокого напряжения (High-Side Current Sensing).

Бестрансформаторные преобразователи питания постоянного тока.

Осторожно, контрафактные зарядные устройства (и почему опасно подключать «это» к технике Apple)!

Ультраизолированные малошумящие источники питания.

Импульсные конвертеры отрицательного напряжения.

Прецизионные источники отрицательного смещения для питания кремниевых фотоумножителей.

Высоковольтные стабилизаторы отрицательной полярности.

Лабораторные источники питания высшего класса точности с минимальными шумами.

ШИМ-регулирование двигателей постоянного тока: развенчиваем мифы.

Схемотехника систем питания лазерных диодов.

Высокоскоростные драйверы светодиодов для оптических импульсов.

Возвращаясь к проблеме перегрева: современные термометрические методики.

Импульсные перегрузки и их тепловое воздействие на компоненты.

Малоемкостные полевые транзисторы: методы защиты затворов.

Прецизионные схемы управления зарядом пьезоэлектрических актуаторов.

Генераторы импульсов тока с амплитудой 1500 В и фронтом 1 мкс.

Системы быстрого гашения мощных магнитных полей.

Мы рассчитываем на самую широкую аудиторию. Получая искреннее удовольствие от схемотехнических экспериментов, мы постарались перенести на эти страницы самое ценное для комфортной и продуктивной работы. Как говорят французы: «Бон аппетит!»^П1

П1

«Приятного аппетита!»

Благодарности

Возглавляет наш список неизменный редактор Дэвид Трана (David Tranah), которому мы выражаем глубочайшую признательность. Наш надежный оплот, гуру верстки в системе LATEXpert, мудрый советник по всем издательским нюансам и даже — представьте себе — корректор текста! Он проявил ангельское терпение к паре чересчур придирчивых авторов во время их визита в штаб-квартиру Cambridge University Press.

Мы искренне признательны выдающемуся специалисту по схемотехнике Джиму Макартуру (Jim Macarthur) за пристальное изучение черновых рукописей и ценнейшие конструктивные замечания, которые были полностью внедрены. Наш коллега Питер Лю (Peter Lu) открыл нам секреты Adobe Illustrator и выручал каждый раз, когда мы заходили в тупик; все иллюстрации в книге — прямой результат его наставничества. Мы в долгу перед Майком Бернсом (Mike Burns) за детальную вычитку текста и проверку сложных математических выкладок.

Особая наша благодарность Стиву Сервину (Steve Cerwin), Тому Хейсу (Tom Hayes), Филу Хоббсу (Phil Hobbs), Питеру Хоровицу (Peter Horowitz), Джону Ларкину (John Larkin), Мэгги Макфи (Maggie McFee), Али Мехмеду (Ali Mehmed) и Джиму Томпсону (Jim Thompson) за их весомый вклад. Мы приносим искренние извинения тем, чьи имена случайно не попали в этот перечень. Ряд авторов (включая Кейта Биллингса [Keith Billings], Кента Лундберга [Kent Lundberg] и Стива Вудворта [Steve Woodward]), предоставивших уникальные материалы, схемы и результаты измерений, персонально упомянуты в соответствующих разделах книги.

Мы сердечно благодарим редактора Джона Биллама (Jon Billam) за тонкую редакторскую работу на начальных этапах подготовки рукописи. Также мы признательны команде художников-оформителей, превративших наши грубые наброски от руки в безупречную векторную графику.

И в завершение. Мы бесконечно обязаны нашим любимым, понимающим и невероятно терпеливым женам — Виде (Vida) и Аве (Ava). Годами они стоически мирились с дефицитом внимания, пока их одержимые мужья в третий раз пытались заслужить ваше признание.

Пол Хоровиц

Уинфилд Хилл

август 2019 года

Кембридж, штат Массачусетс