Данная статья является переводом статьи Теда Япо от 23.01.20 на техническом портале «HACKADAY». Она посвящена книге Пола Хоровица и Уинфилда Хилла: «Искусство схемотехники: сборник X-глав». Из нее потенциальный читатель может почерпнуть интересующие его сведения о книге.

Введение

Если вы когда-нибудь хоть немного занимались электроникой, то безусловно сталкивались с авторитетным в этой области изданием – «Искусством схемотехники». Любой почитатель книги  наверняка захочет приобрести последнюю книгу в серии: «Искусство схемотехники: сборник X-глав». Она вышла следом за третьим изданием книги «Искусство схемотехники», опубликованной в 2015 году. В этой новой книге более детально излагаются темы, поднятые в предыдущих изданиях. Вдобавок, рассматриваются некоторые интересные, но редко затрагиваемые темы практической электротехники.

Несколько слов для тех, кто все же не знаком с книгой «Искусство схемотехники», впервые опубликованной в 1980 году. Это необычайно полезный гибрид учебника и инженерного справочника, где только нужный теоретический материал и много примеров из практического опыта. Благодаря живой форме общения и неформальному стилю, данная книга дала возможность людям разных профессий проектировать и создавать электронные схемы.

За первым изданием «Искусства схемотехники» последовали второе (в 1989 году) и третье (в 2015 году) издания. Каждое последующее издание актуализировало и увеличивало охват материала, чтобы успевать за бурным развитием электроники. Я начал знакомство с книгой со второго издания. Книга стала очень потрепанной к моменту, когда я приобрел третье издание. Лично рекомендую такое обновление книжного фонда всем, кто еще не определился с покупкой нового издания. «Искусство схемотехники: сборник X-глав» несколько отличается от второго и третьего изданий «Искусства схемотехники», которые подобны первому изданию книги. Книга «Искусство схемотехники: сборник X-глав» содержит развернутое описание тем, затронутых в третьем издании «Искусства схемотехники» и в то же время является самостоятельным справочником по ряду тем практической электротехники.

Я сделал предварительный заказ книги  в тот же день, когда узнал о предполагаемой ее публикации. Наконец-то я ее получил на этой неделе. Держа эту книгу в руках уже несколько дней, я пришел к мысли, что имею определенное представление о ней. Я хочу поделиться с вами своим мнением о последней книге из серии «Искусство схемотехники».

Общее представление

В первом абзаце предисловия авторы дают общее представление. «Икс» в названии появился из английского слова «eXtra» (что переводится как «дополнительный»). Это означает, что материал данной книги изначально предполагался быть частью третьего издания «Искусства схемотехники», но просто не поместился. Третье издание и так вмещает в себя 1250 страниц. Данная же книга содержит 500 страниц и разбита на пять глав: 1x, 2x, 3x, 4x и 9x. Эта необычная нумерация содержимого соответствует главам третьего издания «Искусства схемотехники». Это указывает на то, что большая часть материала данной книги «пришлась бы ко двору» в соответствующих главах третьего издания. Фактически, каждая глава данной книги начинается с повторения краткого содержания в конце соответствующей главы третьего издания «Искусства схемотехники».

В книгу «Искусство схемотехники: сборник X-глав» включены темы, знакомые нам по третьему изданию «Искусства схемотехники». В данной книге закрываются все поднятые ранее вопросы. Помимо материалов тем, обозначенных в третьем издании «Искусства схемотехники», в данной книге содержатся довольно обстоятельные материалы по широкому кругу тематик электроники, которые являются наиболее актуальными, важными, экзотическими и просто интригующими. Вы сможете обнаружить здесь методики и схемы, которые нигде больше не найдете!

Среди богатого содержимого этой книги вы можете встретить материалы перечисленных ниже тем.

• Реальные компоненты. Примеры: конденсаторы (потери, эквивалентное последовательное сопротивление [ЭПС], диэлектрики, частотная зависимость, …); резисторы (мгновенная мощность, избыточный «шум», нелинейность, эквивалентная последовательная индуктивность [ЭПИ], приемы увеличения быстродействия, …); провода (поверхностный эффект, витая пара, экранирование, …); катушки индуктивности (магнитные материалы, потери в сердечнике, зазоры, …); диоды (потери, обратное восстановление, резкое восстановление, …).

• Специальные таблицы высокоскоростных операционных усилителей (ОУ) с обратной связью по напряжению (ОСПН) и по току (ОСПТ), ИМС управления затворами и мостовыми источниками питания, мощные переключатели и ИМС датчиков тока, и прочих электронных компонентов.

• Высоковольтные источники тока с малой емкостью; токовые зеркала с биполярным питанием.

• Высокоточные высоковольтные усилители.

• Энергия высоковольтного импульса, высоковольтный источник питания с изменяемой полярностью выходного напряжения, высоковольтный генератор импульсов с тремя состояниями, устройства на основе полупроводниковых приборов из карбида кремния (SiC).

• Полевые транзисторы (ПТ) с p-n-переходом: экскурс с более пристальным вниманием.

• МОП (со структурой металл - окисел - полупроводник) ПТ для схем электропитаня в качестве линейных элементов с многочисленными примерами.

• Кремниевый фотоумножитель и генератор импульсов высокой частоты для генерации светодиодами (СИД) световых импульсов.

• Усилители с передаточным импедансом: полоса, стабильность и семидекадный, линейный усилитель с передаточным импедансом.

• ОУ с размахом выходного сигнала, равного напряжению питания. (Обычно гремлины прячутся!)

• Раскрываем тайну усилителей с обратной связью по току.

• Ультраизолированный источник питания с малыми «шумами».

• Анатомия поддельного зарядного устройства для телефонов iPhone.

• Искажения в усилителе на биполярных транзисторах (БТ): более глубокое исследование.

• Передача мощности с помощью светового луча.

• Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) для управления электродвигателем постоянного тока: миф развенчан.

• Защита от переходного напряжения и тепловое влияние переходных процессов.

«Сборник X-глав» можно воспринимать как собрание недостающих материалов книги «Искусство схемотехники». Данную книгу можно использовать двояко: как дополнение к книге «Искусство схемотехники» и как прямой источник при изучении наиболее захватывающих, особо не афишируемых тем, более продвинутого уровня проектирования электроники. Эта бесценная кладезь мудрости, знаний и опыта в области электроники, будет отличным приобретением в любую личную библиотеку. Не важно, будь это библиотека студента, исследователя, практикующего инженера, даже если кто-либо из них мимолетно интересовался проектированием и анализом электронных схем или приборов.

Пока я буду описывать основные моменты каждой главы (совсем кратенько), имейте ввиду одну вещь. Читается данная книга несколько иначе, чем третье издание книги «Искусство схемотехники»! Она в большей степени является инженерным справочником, нежели учебником. Предисловие явно говорит об этом. Последовательная форма повествования, характерная для предыдущих книг «Искусства схемотхники» была заменена на модульную систему по конкретным темам. Это замечательно, когда вы пусть даже малоопытный проектировщик, которому необходим передовой опыт в конкретной тематике. Но это может быть не так полезно новичкам (об этом чуть позднее).

Глава 1x. Реальный мир пассивных компонентов

Данная глава исследует поведение компонентов в реальности и начинает это с обычного провода. Проводники, кабели и разъемы исследуются с точки зрения неидеальных проявлений, которые они демонстрируют. По аналогии, обсуждаются реальные резисторы различных типов, включая цифровые потенциометры. Конденсаторам и катушкам индуктивности уделяется особое внимание, так как у них множество недостатков, вредящих им. Раздел 1x.6 особенно интересен. Он охватывает механические переключатели и реле – компоненты, о неидеальности характеристик которых мы порой забываем. Об этом, конечно же, стоит прочитать, если вы используете эти компоненты для чего-то необычного. Наконец, глава завершается обсуждением различных типов диодов, включая экзотические, и их практических недостатков.

Но в данной книге есть нечто большее, чем практическая часть! Например, в книге целый раздел в несколько страниц посвящен теме туннельных диодов. Этот загадочный раздел носит для авторов скорее ностальгическое значение. Они не стремятся упростить материал, выдав только теорию, и переходят к практической части, предлагая рассмотреть вольт-амперные характеристики туннельных диодов. Проведя собственные опыты, здесь я могу лишь засвидетельствовать те заботливость и тщательность, с которыми была изложена данная тема в «Сборнике X-глав». Это получилось в духе портала «Hackaday». Если бы данный материал уже не содержался в книге, то он бы подошел для одиночной статьи на портале. Как мы увидим далее, множество подобного можно встретить в последующих главах.

Это не единственный «прикол» авторов. Название данной статьи является модификацией авторского примечания, отсылающего нас к популярному некогда сериалу «Секретные материалы».

Глава 2x. Продвинутые темы по биполярным транзисторам (БТ)

Как было уже отмечено, здесь вы не найдете вводного материала по БТ. Вместо этого вы обнаружите коллекцию небольших заметок по конкретным темам. Например, авторы создают таблицы для токов утечки некоторого количества БТ и обсуждают это в сравнении с ПТ. Затем, они добавляют разделы о полосе пропускания БТ и частоте перехода. Авторы подробно разбирают процесс моделирования на языке SPICE нескольких примеров усилителей на БТ и определяют гармоническое искажение. Затем, описываются токовые зеркала и некоторые очень интересные схемы на них с биполярным питанием.

Затрагиваются и другие малоизвестные тематики. Например, двухвыводная схема отрицательного сопротивления, собранная на БТ, и другие темы, близкие моему сердцу.

Глава 3x. Продвинутые темы по ПТ

В третьей главе «Сборника X-глав» вы найдете кое-что интересное по выбору ПТ для ваших практических целей. В главе рассказывается о крутизне ПТ, о частотном диапазоне работы схем на ПТ (в сравнении со схемами на БТ), об историческом развитии и современных МОП ПТ для схем электропитания, а также имеется раздел о МОП ПТ с интегрированной схемой управления затвором. Также приводятся практические схемы для измерения заряда МОП ПТ и крутизны ПТ, с табличными результатами для различных типов ПТ.

Опять же, имеется некоторое количество примеров практического применения ПТ, позволяющие оценить преимущества ПТ. Например, управление пьезопреобразователем, формирование импульсов высокой частоты для СИД, быстрое гашение высокоэнергетичного магнитного поля катушек индуктивности и формирование высокочастотного пилообразного напряжения с амплитудой 1,5 кВ.

Глава 4x. Продвинутые темы по ОУ

Четвертая глава соответственно начинается с описания раритетного ОУ на ламповой основе. Остальная же часть главы в основном посвящена тонкостям проектирования на современной элементной базе. Тут и глубокое обсуждение стабильности ОС, и подробное рассмотрение усилителей с передаточным сопротивлением (например, для совместного использования с фотодиодами), и освещение темы повторителей (ретрансляторов) с примерами их применения, и два раздела о высокоскоростных ОУ (с ОС по напряжению и с ОС по току). В главу включены также некоторые необычные схемы на ОУ с емкостной ОС, логарифмические усилители, схемы управления емкостной нагрузкой и еще ряд небольших тем.

Из экзотического, имеется раздел о кремниевых фотоумножителях. В качестве практического примера приводится схема «аттрактора Лоренца», которая рисует на экране осциллографа хаотичные замысловатые фигуры.

Глава 9x. Продвинутые темы в области управления электропитанием

Тут вы найдете обсуждение схем защиты от обратной полярности для аккумуляторов (на основе диодов и МОП ПТ), схем защиты литий-ионных аккумуляторов, реализации ограничения тока ОС, управления электродвигателями при помощи ШИМ, отслеживания тока со стороны нагрузки и различных других тем по проектированию источников питания. Произведено вскрытие и сравнение подлинного, и поддельного, зарядных устройств для телефонов iPhone. Имеется неплохой раздел по измерению температуры в схемах источников питания с помощью обычного зонда и тепловизоров.

Касательно необычных тем. Целая страница посвящена низковольтным повышающим импульсным преобразователям для альтернативных источников электроэнергии. Представлена простая схема, которая начинает работать при напряжении 20 мВ и продолжает работать, пока напряжение не станет ниже 10 мВ. Имеется также раздел по преобразователям шин питания. Например, по дунаправленным преобразователям постоянного напряжения питания, которые преобразуют одно напряжение питания в другое (скажем 12 В в 5 В) и работают одновременно в обратном направлении. Очень интересная штука!

Заключение

Понятно, что в этом коротком обзоре я не смог охватить всей книги. Вполне возможно, что я что-то пропустил такое, что является важным именно для вас. Однако надеюсь, что сказанного мной выше достаточно, чтобы вы сделали для себя выводы.

Как и в других книгах серии «Искусство схемотехники», тут тоже имеются таблицы подбора различных электронных компонентов. Нужен высокоскоростной ОУ? Как на счет ИМС управления затворами МОП ПТ? Просто ищете соответствующую таблицу. Но не стоит путать эти таблицы с функцией подбора по параметрам, имеющейся на официальных интернет-страницах производителей и продавцов электронных компонентов. Возможность такого подбора конечно полезная вещь, однако она не сравнится с тщательно составленными проектировщиками таблицами, содержащими актуальные для их работы электронные компоненты.

Одной из наиболее интересных особенностей книги является индексный указатель для элементной базы, упоминаемой в книге. Например, если вам вдруг захотелось узнать всю имеющуюся в книге информацию по транзистору 2N3904, то индексный указатель выдаст вам номера 22 страниц, на которых он упоминается. Это очень удачная идея для таких книг. Тут содержится вся возможная информация, которой вы можете и не найти в обычном перечне технических данных (datasheet).

О том, стоит ли вам покупать эту книгу

Начнем с самого начала. Я не считаю ни одну из книг серии «Искусство схемотехники» подходящей в качестве первой книги для абсолютных новичков. Конечно, если вы изучали другие инженерные дисциплины, то вы могли бы взять экземпляр книги и начать с ним работать. Если же вы настоящий новичок и у вас нет инженерного опыта, то вам вероятнее всего требуется нечто иное и обращаться к «Искусству схемотехники» вам стоит для углубленного изучения возникающих вопросов. Пожалуйста, если возможно, поделитесь в комментариях к статье рекомендациями относительно книг для новичков!

Тем не менее, если вы уже успешно пользуетесь любым из трех изданий «Искусства схемотехники», то я бы вам рекомендовал обзавестись и «Сборником X-глав». Проведя за этой книгой некоторое время, я склонен полагать, что третье издание «Искусства схемотехники» выглядит без нее неполноценным. Это не означает, что до выхода этой новой книги я считал книгу «Искусство схемотехники» не достаточной. Просто в тандеме они выглядят всеобъемлюще. Имеет ли смысл покупать данную книгу без приобретения и третьего издания книги «Искусство схемотехники»? Конечно да, ведь в ней раскрываются все заявленные темы! Но «Сборник X-глав» сам по себе выглядит не полноценно без третьего издания. Лично я не представляю свою книжную полку без этих двух книг, стоящих рядышком.

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

Последнее издание культовой книги «Искусство схемотехники» стало доступно русскоязычным читателям

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

Предисловие к книге «Постижение искусства схемотехники: практическое руководство»