Sztuka elektroniki. 1 Paul Horowitz, Winfield Hill. Wydanie 12 zmienione. Warszawa, Spis treści. Przedmowa do pierwszego wydania angielskiego 18

Transkrypt

1 Sztuka elektroniki. 1 Paul Horowitz, Winfield Hill. Wydanie 12 zmienione. Warszawa, 2018 Spis treści Spis tablic 12 Przedmowa 13 Przedmowa do drugiego wydania angielskiego 16 Przedmowa do pierwszego wydania angielskiego 18 ROZDZIAŁ 1 Podstawy Wprowadzenie Napięcie, prąd i rezystancja Napięcie i prąd Zależność między napięciem i prądem: oporniki (rezystory) Dzielniki napięcia Źródła napięciowe i prądowe Układ równoważny Thévenina Rezystancja małosygnałowa Przykład: Jest za gorąco!" Sygnały Sygnały sinusoidalne Amplitudy sygnałów i decybele Inne sygnały Poziomy logiczne Źródła sygnałów Kondensatory i układy prądu przemiennego Kondensatory Układy RC: zależność U i I od czasu Układy różniczkujące Układy całkujące (integratory) Nic nie jest doskonałe Cewki indukcyjne i transformatory Cewki indukcyjne Transformatory Diody i układy z diodami Diody Prostowanie Filtrowanie napięć wyjściowych zasilaczy sieciowych Układy prostowników stosowane w zasilaczach sieciowych Stabilizatory Układowe zastosowania diod 64

2 Obciążenie indukcyjne i zabezpieczenie diodowe Mały przerywnik: coś dobrego o cewkach Impedancja i reaktancja Analiza częstotliwościowa układów reaktancyjnych Reaktancja cewki indukcyjnej Napięcie i prąd jako liczby zespolone Reaktancje kondensatorów i cewek Uogólnione prawo Ohma Moc w układach reaktancyjnych Uogólniony dzielnik napięcia Filtry górnoprzepustowe RC Filtry dolnoprzepustowe RC Różniczkujące i całkujące układy RC w dziedzinie częstotliwości Cewki kontra kondensatory Wykresy wskazowe Bieguny" i decybele na oktawę Obwody rezonansowe Filtry LC Inne zastosowania kondensatorów Uogólnione twierdzenie Thévenina Składamy wszystko razem - radio AM Inne elementy pasywne Elementy elektromechaniczne: przełączniki Elementy elektromechaniczne: przekaźniki Złącza Wskaźniki Elementy regulowane Uwaga na pożegnanie: mylące oznakowania i mikroskopijne elementy Montaż powierzchniowy: radości i smutki 99 Podsumowanie rozdziału ROZDZIAŁ 2 Tranzystory bipolarne Wprowadzenie Pierwszy model tranzystora: wzmacniacz prądowy Kilka podstawowych układów z tranzystorami Klucz tranzystorowy Przykłady układów przełącznikowych Wtórnik emiterowy Wtórniki emiterowe jako stabilizatory napięcia Ustalanie punktu pracy wtórnika emiterowego Źródło prądowe Wzmacniacz ze wspólnym emiterem Wtórnikowy układ symetryzujący Transkonduktancja Model Ebersa-Molla a podstawowe układy tranzystorowe 132

3 Poprawiony model tranzystora: wzmacniacz transkonduktancyjny Konsekwencje modelu Ebersa-Molla: praktyczne reguły projektowe O wtórniku emiterowym jeszcze raz Wzmacniacz ze wspólnym emiterem jeszcze raz Ustalanie punktu pracy wzmacniacza ze wspólnym emiterem Dygresja: tranzystor doskonały Lustra prądowe Wzmacniacze różnicowe Wybrane podzespoły wzmacniaczy Wyjściowe stopnie przeciwsobne Połączenie Darlingtona Bootstrap (kompensacja napięcia sygnału) Podział prądu między tranzystory bipolarne połączone równolegle Pojemności i efekt Millera Tranzystory polowe Ujemne sprzężenie zwrotne Wstęp do teorii sprzężenia zwrotnego Równanie na wzmocnienie Wpływ sprzężenia zwrotnego na parametry wzmacniacza Dwa ważne detale dotyczące układów ze sprzężeniem zwrotnym Dwa przykłady wzmacniaczy tranzystorowych ze sprzężeniem zwrotnym Kilka typowych układów tranzystorowych Stabilizator napięcia Układ stabilizacji temperatury Prosty tranzystorowo-diodowy układ logiczny 175 Podsumowanie rozdziału ROZDZIAŁ 3 Tranzystory polowe Wprowadzenie Właściwości tranzystorów polowych Rodzaje tranzystorów polowych Ogólne właściwości tranzystorów polowych Charakterystyki FET-ów Rozrzut produkcyjny parametrów tranzystora polowego Podstawowe układy z FET-ami Układy liniowe z tranzystorami polowymi Zestaw reprezentatywnych JFET-ów: krótki przegląd JFET-owe źródła prądowe Wzmacniacze z FET-ami Wzmacniacze różnicowe Generatory Wtórniki źródłowe 219

4 FET-y jako oporniki o zmiennej rezystancji Prąd bramki tranzystorów polowych Więcej o JFET-ach Charakterystyki przejściowe JFET-ów Charakterystyki wyjściowe: konduktancja wyjściowa Zależność transkonduktancji od prądu drenu Zależność transkonduktancji od napięcia drenu Pojemności JFET-ów Dlaczego wzmacniacze z JFET-ami (a nie z MOS-ami)? FET-y jako klucze FET-owe klucze analogowe Niedoskonałości kluczy z FET-ami Kilka układów z FET-owymi kluczami analogowymi Klucze MOS w układach cyfrowych MOS-y mocy Duża impedancja, stabilność termiczna Parametry kluczy MOS mocy Sterowanie kluczami mocy za pomocą sygnałów cyfrowych Problemy związane z kluczami MOS mocy MOS kontra tranzystor bipolarny jako klucz silnoprądowy Kilka układów z MOS-ami mocy IGBT-y i inne półprzewodnikowe elementy mocy Liniowe zastosowania MOS-ów Wzmacniacz wysokonapięciowy Kilka układów z MOS-ami ze zubożanym kanałem Równoległe łączenie MOS-ów Przebicie cieplne 306 Podsumowanie rozdziału ROZDZIAŁ 4 Wzmacniacze operacyjne Wprowadzenie w dziedzinę wzmacniaczy operacyjnych - element doskonały" Sprzężenie zwrotne i wzmacniacze operacyjne Wzmacniacze operacyjne Złote reguły Podstawowe układy ze wzmacniaczami operacyjnymi Wzmacniacz odwracający Wzmacniacz nieodwracający Wtórnik napięciowy Wzmacniacz różnicy napięć Źródła prądowe Wzmacniacze całkujące (integratory) Ważne zalecenia dotyczące układów ze wzmacniaczami operacyjnymi Inne układy ze wzmacniaczami operacyjnymi Układy liniowe 333

5 Układy nieliniowe Generator fali trójkątnej Układ do testowania napięcia zaciskającego kanał Generator impulsów o regulowanej szerokości Aktywny filtr dolnoprzepustowy Szczegółowy przegląd właściwości wzmacniacza operacyjnego Parametry rzeczywistych wzmacniaczy operacyjnych Wpływ niedoskonałości wzmacniacza operacyjnego na parametry układu Przykład: miliwoltomierz o dużej czułości Impedancja wyjściowa źródła prądowego a szerokości pasma i SR wzmacniacza operacyjnego Analiza wybranych układów ze wzmacniaczami operacyjnymi Aktywny detektor szczytowy Układ próbkująco-pamiętający Ogranicznik aktywny Przetwornik wartości bezwzględnej Wzmacniacz całkujący z bliska Układowe rozwiązanie problemu upływności FET-a Wzmacniacze różniczkujące Zasilanie wzmacniacza operacyjnego pojedynczym napięciem Ustalanie punktu pracy jednonapięciowych wzmacniaczy operacyjnych pracujących jako wzmacniacze napięć zmiennych Obciążenia pojemnościowe Jednonapięciowe" wzmacniacze operacyjne Przykład: generator przestrajany napięciem Realizacja generatora: montaż przewlekany kontra powierzchniowy Detektor przejścia przez zero Tablica z parametrami wzmacniaczy operacyjnych Inne rodzaje wzmacniaczy i wzmacniaczy operacyjnych Kilka typowych układów ze wzmacniaczami operacyjnymi Wzmacniacz laboratoryjny ogólnego przeznaczenia Układ do wykrywania zwarć Wzmacniacz sygnału z czujnika prądu Całkujący monitor dawki promieniowania UV Kompensacja częstotliwościowa wzmacniaczy ze sprzężeniem zwrotnym Zależność wzmocnienia i przesunięcia fazy od częstotliwości Metody częstotliwościowej kompensacji wzmacniaczy Charakterystyki częstotliwościowe czwórnika sprzężenia zwrotnego 408 Podsumowanie rozdziału ROZDZIAŁ 5 Układy precyzyjne Metody projektowania precyzyjnych układów ze wzmacniaczami operacyjnymi 420

6 Precyzja a dynamika układu Bilans błędów Przykład: miliwoltomierz jeszcze raz Wyzwanie: 10 mv, 1%, 10 МΩ, zasilanie pojedynczym napięciem 1,8 V Rozwiązanie: precyzyjne źródło prądowe ze wzmacniaczem operacyjnym z grupy RRIO Wnioski: bilans błędów, brakujące parametry Inny przykład: precyzyjny wzmacniacz z zerowaniem napięcia wyjściowego Opis układu Bilans błędów układu precyzyjnego Bilans błędów Błędy wprowadzane przez elementy bierne Oporniki ustalające wzmocnienie Kondensator pamięciowy Przełącznik uruchamiający proces zerowania Błędy wprowadzane przez obwód wejściowy wzmacniacza Impedancja wejściowa Wejściowy prąd polaryzacji Wejściowe napięcie niezrównoważenia Tłumienie sygnału wspólnego Tłumienie zmian napięć zasilających Wzmacniacz z zerowaniem napięcia wyjściowego: błędy wejściowe Błędy wprowadzane przez obwód wyjściowy wzmacniacza Szybkość zmian napięcia wyjściowego: rozważania ogólne Szerokość pasma a czas ustalania odpowiedzi Zniekształcenia przejścia oraz impedancja wyjściowa Bufory dużej mocy o wzmocnieniu 1 V/V Błąd wzmocnienia Nieliniowość wzmocnienia Błąd fazy i aktywna kompensacja" fazy Wzmacniacze operacyjne RRIO: dobre, złe i paskudne Kłopoty ze stopniem wejściowym Kłopoty ze stopniem wyjściowym Wybór precyzyjnego wzmacniacza operacyjnego Siedem precyzyjnych wzmacniaczy operacyjnych" Liczba wzmacniaczy w obudowie Napięcie zasilania, zakres napięć wejściowych Praca z pojedynczym napięciem zasilania Napięcie niezrównoważenia Napięcie szumu Prąd polaryzacji Prąd szumu CMRR i PSRR GBW, ƒ T, SR i m" oraz czas ustalania odpowiedzi 476

7 Zniekształcenia nieliniowe Dwa z trzech to nie jest źle": tworzenie doskonałego wzmacniacza operacyjnego Wzmacniacze z autozerowaniem (z przerywaczowi stabilizacją zera) Właściwości wzmacniaczy operacyjnych z autozerowaniem Kiedy użyć wzmacniacza operacyjnego z autozerowaniem Wybieranie wzmacniacza z autozerowaniem Różności na temat autozerowania Projekty mistrzów: multimetry cyfrowe o dużej dokładności firmy Agilent To jest niewykonalne! Błąd to jest wykonalne! Schemat blokowy: prosta architektura układu Stopień wejściowy 6,5-cyfrowego multimetru 34401A Stopień wejściowy 7,5-cyfrowego multimetru 34420A Wzmacniacze różnicy napięć, różnicowe i pomiarowe: wprowadzenie Wzmacniacz różnicy napięć Podstawowe układy pracy Kilka zastosowań Więcej o niektórych parametrach Odmiany układowe Wzmacniacz pomiarowy Pierwszy (lecz naiwny) pomysł Klasyczny wzmacniacz pomiarowy z trzema wzmacniaczami operacyjnymi Rozważania na temat stopnia wejściowego Wzmacniacz pomiarowy własnej konstrukcji Wariacje na temat skutecznej ochrony wejścia Rozmaitości o wzmacniaczach pomiarowych Prąd wejściowy i szum Tłumienie sygnału wspólnego Impedancja źródła a CMRR EMI i ochrona wejścia Usuwanie napięcia niezrównoważenia i maksymalizacja CMRR Dołączanie obciążenia Polaryzacja wejść wzmacniacza Zakres napięć wyjściowych Przykład zastosowania: źródło prądowe Inne konfiguracje Wzmacniacze pomiarowe przerywaczowe i z autozerowaniem Wzmacniacze pomiarowe o programowalnym wzmocnieniu Wytwarzanie wyjściowego sygnału różnicowego Wzmacniacze w pełni różnicowe Wzmacniacze różnicowe: pojęcia podstawowe Przykład zastosowania wzmacniacza różnicowego:

8 szerokopasmowe łącze analogowe Przetworniki AC z wejściem różnicowym Dopasowanie impedancji Kryteria wyboru wzmacniacza różnicowego 557 Podsumowanie rozdziału ROZDZIAŁ 6 Filtry Wprowadzenie Filtry pasywne Charakterystyki częstotliwościowe filtrów RC O doskonałych właściwościach filtrów LC Kilka prostych przykładów Filtry aktywne: przegląd Podstawowe parametry filtrów Rodzaje filtrów Realizacje filtrów Układy filtrów aktywnych Układy ZNSN Projektowanie filtrów ZNSN za pomocą uproszczonej tablicy Filtry modelujące zmienne stanu Filtry z czwórnikiem podwójne T Filtry wszechprzepustowe Filtry z przełączanymi kondensatorami Cyfrowe przetwarzanie sygnałów Rozmaitości na temat filtrów 607 Podsumowanie rozdziału ROZDZIAŁ 7 Generator i układy czasowe Generatory Ogólnie o generatorach Generatory relaksacyjne klasyczny czasowy układ scalony Inne scalone generatory relaksacyjne Generatory sygnału sinusoidalnego Generatory kwarcowe Większa stałość częstotliwości: generatory ТСХО, ОСХО i jeszcze lepsze Synteza częstotliwości: DDS i PLL Generatory kwadraturowe Drżenie okresu generatora (jitter) Układy czasowe Impulsy wyzwalane skokiem napięcia Przerzutniki monostabilne Przykład zastosowania przerzutników monostabilnych: układ ograniczania szerokości impulsu i współczynnika wypełnienia 664

9 Układy czasowe z licznikami cyfrowymi 665 Podsumowanie rozdziału ROZDZIAŁ 8 Elementy i układy niskoszumowe Szum" Szum cieplny (Johnsona, Nyquista) Szum śrutowy Szum typu 1/ƒ (szum migotania, szum strukturalny) Szum wybuchowy Szum o ograniczonym paśmie Zakłócenia Stosunek sygnał-szum oraz współczynnik szumu Widmowa gęstość mocy szumu i szerokość pasma Stosunek sygnał-szum Współczynnik szumu Temperatura szumowa Szum wzmacniacza z tranzystorem bipolarnym Widmowa gęstość napięcia szumu e n Widmowa gęstość prądu szumu i n Napięcie szumu tranzystora bipolarnego jeszcze raz Przykład prostego projektu: głośnik jako mikrofon Szum śrutowy w źródłach prądowych i wtórnikach emiterowych Wyznaczanie e n z wykresów współczynnika szumu F Krok 1: zależność F od I C Krok 2: zależność F od R syg Krok 3: obliczanie e n Krok 4: widmo napięcia szumu e n Widmo prądu szumu i n Gdy nie masz możliwości wyboru punktu pracy układu Projektowanie układów niskoszumowych z tranzystorami bipolarnymi Przykład obliczenia współczynnika szumu Wykreślanie napięcia szumu wzmacniacza dla danych e n i i n Rezystancja szumowa Wykresy jako sposób porównania właściwości szumowych układów Niskoszumowe wzmacniacze z tranzystorami bipolarnymi: dwa przykłady Minimalizowanie szumu: tranzystory bipolarne, FET-y i transformatory Przykład projektu: przedwzmacniacz - detektor błyskawic" za 40 centów Wybór niskoszumowego tranzystora bipolarnego Wyzwanie projektowe: ekstremalnie niskoszumowy beztransformatorowy przedwzmacniacz do mikrofonu wstęgowego Projektowanie układów niskoszumowych z JFET-ami 721

10 Napięcie szumu złączowego tranzystora polowego Prąd szumu złączowego tranzystora polowego Przykład projektu: niskoszumowy szerokopasmowy wzmacniacz hybrydowy z JFET-ami Projekty mistrzów: niskoszumowy przedwzmacniacz SR Wybieranie JFET-ów do układów niskoszumowych Pojedynek między tranzystorami bipolarnymi a tranzystorami polowymi przedstawiony na wykresach Szum tranzystorów MOS Szumy we wzmacniaczu różnicowym i we wzmacniaczu ze sprzężeniem zwrotnym Szum w układach ze wzmacniaczami operacyjnymi Przewodnik po tablicy 8.3: wybieranie niskoszumowych wzmacniaczy operacyjnych Współczynnik tłumienia zmian napięcia zasilającego Podsumowanie: wybór niskoszumowego wzmacniacza operacyjnego Niskoszumowe wzmacniacze pomiarowe i wzmacniacze wizyjne Niskoszumowe hybrydowe wzmacniacze operacyjne Transformatory sygnałowe Niskoszumowy wzmacniacz szerokopasmowy z transformatorem w obwodzie sprzężenia zwrotnego Szum we wzmacniaczach transimpedancyjnych Problem ze stabilnością: podsumowanie Szum wejściowy wzmacniacza Problem szumu e n C Szum wzmacniacza transrezystancyjnego Przykład: szerokopasmowy JFET-owy wzmacniacz sygnału z fotodiody Szum kontra wzmocnienie we wzmacniaczu transimpedancyjnym Ograniczanie pasma sygnału wyjściowego wzmacniacza transimpedancyjnego Kompozytowe wzmacniacze transimpedancyjne Redukcja pojemności źródła sygnału techniką bootstrapowania Separacja pojemności źródła sygnału za pomocą układu ze wspólną bazą Wzmacniacz transimpedancyjny z pojemnościowym sprzężeniem zwrotnym Przedwzmacniacz skaningowego mikroskopu tunelowego Osprzęt do testowania przydatny do kompensacji i kalibracji Uwaga końcowa Pomiary parametrów szumowych i generatory szumu Pomiary bez użycia generatora szumu Przykład: układ do pomiaru parametrów szumowych tranzystora bipolarnego 791

11 Pomiary z użyciem generatora szumu Generatory szumu i generatory sygnałowe Ograniczanie szerokości pasma oraz pomiary wartości skutecznej napięcia Ograniczanie szerokości pasma Obliczanie pasmowego napięcia szumu Asymetryczna filtracja niskoczęstotliwościowego szumu wzmacniacza operacyjnego Wyznaczanie częstotliwości granicznej 1/ƒ Pomiar napięcia szumu Pomiar prądu szumu Inny sposób: zmontuj własny przyrząd pracujący w zakresie pojedynczych fa/ Hz Szumowe rozmaitości Poprawa stosunku SN przez zmniejszenie szerokości pasma Detekcja synchroniczna Szum zasilacza Powielacz pojemności Zakłócenia, ekranowanie i uziemianie Sygnały zakłócające Problem mas Problem mas przy łączeniu przyrządów ze sobą 826 Ćwiczenia dodatkowe do rozdziału Podsumowanie rozdziału oprac. BPK