«Искусство схемотехники»: Хоровиц и Хилл
Если вы ищете, с чего начать изучать схемотехнику, а не мигать светодиодом, а разобраться, как устроено питание платы, почему резистор в базе транзистора меняет всё поведение схемы и откуда берётся задержка между двумя вентилями, то главный ответ — книга «Искусство схемотехники». Её написали Пол Хоровиц и Уинфилд Хилл. Первое издание вышло в 1980 году, второе в 2005-м, третье в 2015-м, и до сих пор это первое, что советуют прочитать человеку, который хочет проектировать схемы, а не только собирать чужие. Ниже — разбор книги: что в ней есть, в каком порядке читать и как понять заранее, подходит ли она вам. Дорожная карта предмета, к которой книга прикладывается лучше всего, собрана на странице «Схемотехника».
Кто авторы и зачем им понадобилась такая книга
Пол Хоровиц — профессор физики Гарвардского университета, он преподаёт электрические схемы десятилетиями и читал лекции, на которых выросли несколько поколений инженеров. Уинфилд Хилл — инженер-практик, соучредитель компании Seeq, разработчик аналитических приборов и держатель патентов на аналоговые измерительные схемы. Разница в биографиях важна для книги: Хоровиц даёт структуру и физику, Хилл добавляет то, что знает только тот, кто довёл плату до серии.
| Издание | Год | Что важно знать |
|---|---|---|
| Первое | 1980 | Классика: аналоговая часть, транзисторы, усилители, питание |
| Второе | 2005 | Переработка, 25 лет новых технологий, больше примеров из практики |
| Третье | 2015 | Сильно расширена цифровая часть: ПЛИС, микропроцессоры, современная цифровая логика |
Сравнивать издания по одной дате бесполезно: базовая физическая часть у них практически одна и та же. Разница в том, сколько места отведено цифровой схемотехнике и насколько подробно разобраны вещи, которые раньше считались очевидными.
Что внутри и зачем это читать
Книга не про «соберите схему из картинки». Она про то, как принимать решения, когда схемы в картинке нет: как выбрать резистор, почему транзистор открывается не полностью, сколько нагрузки можно подключить к выходу, откуда берётся шум и что с ним делать. Ниже — темы, за которыми в учебники идут чаще всего, и то, где каждая из них пригождается в этом проекте.
| Тема в книге | Зачем нужна на практике |
|---|---|
| Резисторы, делители напряжения, закон Ома, мощность | Расчёт любой цепи: от индикатора до токоограничителя |
| Транзисторы как переключатели | Любая цифровая схема: затвор, база, рабочая точка |
| Операционные усилители, компараторы | Аналоговый вход, АЦП, усиление, фильтры |
| Питание, стабилизаторы, шум и заземление | Самые частые причины «мигающего» и «зависающего» устройства |
| Трёхстабильные логические элементы, ёмкость шины | Шины данных, почему длинная шина не работает |
| Цифровая логика, счётчики, метастабильность | Всё, что вы делаете в логическом симуляторе |
| ПЛИС и микропроцессоры | Часть 3 и 4 курса: Verilog и Tang Nano 9K |
Одна деталь, которую редко замечают: книга одинаково серьёзно относится к трём уровням. Закон Ома расписан не как формула на полстраницы, а как рабочий инструмент. Транзисторный ключ разобран с расчётом рабочей точки. А цифровая часть начинается не с вентилей, а с ёмкости провода и задержки, потому что именно они объясняют, почему схема из правильно соединённых вентилей всё равно не работает. Про эти эффекты подробнее — в статье про задержку распространения сигнала и временную диаграмму.
В каком порядке читать
Попытка начать с главы про операционные усилители заканчивается тем, что книга откладывается на второй месяц. Рабочий порядок выглядит так.
- Физика сигнала и резисторы. Напряжение, ток, сопротивление, делитель, закон Ома, мощность на резисторе. Это база, без которой любая схема читается как иероглифы.
- Транзистор как ключ. Здесь книга окупается: объяснение, почему транзистор в режиме «включён» всё равно падает на нём напряжение и почему это нормально.
- Питание и шум. Декаплирование, земля, помехи. Практическая часть, которая экономит недели отладки.
- Цифровая часть. Логика, три состояния, шины, задержки. Здесь книгу можно читать параллельно с уровнями 1–16 курса.
- ПЛИС и микропроцессоры. Для уровней 30–47 и для тех, кто идёт дальше симулятора к реальному кремнию.
Проверить, что база понята, можно прямо в этом проекте: конвертер систем счисления для двоичной арифметики и двоичная математика для того же, но с объяснениями. Если в статье про анатомию сумматора вы понимаете, зачем нужен перенос, — база на месте.
Где взять и как проверить, что книга подходит
Книгу стоит искать там, где её можно листать: университетские фонды по электронике и электронной технике, каталог Cambridge University Press, магазины электроники, электронные библиотеки вузов. Официальные переводные издания тоже существуют, но год и переводчик в карточке каталога различаются, поэтому надёжнее ориентироваться на издательство, а не на год.
Бесплатная альтернатива, о которой знают немногие: курс MIT OpenCourseWare 6.002 Circuits and Electronics. Его программа построена на материале «Искусства схемотехники», лекции и задания выложены в открытом доступе, а курс записан на английском с субтитрами. Это лучший способ проверить интерес к теме до покупки.
Понять, ваша ли это книга, можно по трём признакам. Вам нравится считать, а не только собирать. Вы хотите понимать, почему схема не работает, а не подбирать номиналы наугад. Вам интересно, что стоит внутри процессора, а не только как им пользоваться. Если все три ответа «да», книга окупит время, потраченное на неё, в первую же неделю чтения.
Почему «Искусство схемотехники» называют библией электроники?
Книга выдержала три издания с 1980 года, и в каждом авторы объясняют не только принцип, но и практическую сторону: как выбрать номинал, почему схема не работает на макете и что делать, когда осциллограф показывает не то, что ожидалось. Такого уровня деталей в большинстве учебников нет.
Нужно ли уметь паять, чтобы читать книгу?
Для понимания текста и рисунков паять не нужно. Пайка понадобится, если вы захотите повторять примеры: вторая половина книги построена на измерениях, и часть выводов без приборов не проверить.
С какого издания начинать?
Берите то, которое есть под рукой. Второе издание 2005 года и третье 2015 года совпадают в основах: напряжение, ток, резисторы, транзисторы, операционные усилители. Третье издание шире в цифровой части, там есть разделы про ПЛИС и микропроцессоры.
Где взять книгу легально?
Университетская библиотека, отделы литературы по электронике и радиотехнике в технических вузах, каталог издателя Cambridge University Press, бумажные магазины с электроникой, электронные библиотеки вузов. Отдельный бесплатный путь — курс MIT OpenCourseWare 6.002 Circuits and Electronics, программа которого построена на этой книге.
Проверьте себя
Что даёт делитель напряжения из двух резисторов?
Напряжение на средней точке пропорционально отношению номиналов: Uвых = Uвх · R2 / (R1 + R2). Применение — индикаторы, смещение, деление сигнала на два. Если подключить к выходу нагрузку, схема перестаёт работать как делитель: появляется сопротивление источника, которое складывается с сопротивлением нижнего резистора.
Зачем транзистору резистор в цепи базы или затвора?
Чтобы ограничить ток. Управляющий выход микросхемы или логического элемента не выдаёт бесконечный ток: он выдаёт конечный, и транзистор, включённый без ограничения, работает за пределами допустимого режима. Резистор подбирают из условия «ток управления достаточно велик, а ток в цепи коллектора не превышает максимума транзистора».
Почему в книге много страниц про шум и землю?
Потому что шум — причина большинства неисправностей, которые выглядят как «сбой логики». Помеха на земле или на линии питания попадает во все узлы схемы сразу, и отлаживать приходится не функцию, а питание. Низкоуровневая техника из книги — разводка земли, фильтрация, экранирование — экономит больше времени, чем любая логика.
Связь с курсом
Материал книги и уровни курса закрывают одну и ту же область с разных сторон. Курс даёт короткий путь от закона Ома до процессора, книга объясняет, почему каждый шаг сделан так, а не иначе. Если вы прошли библиотеку и хотите разобраться глубже, начните с этой книги и возвращайтесь к симулятору логических схем для проверки экспериментов: книга объясняет, симулятор показывает.
Про книги по цифровой логике, которые обычно идут после этой, — в статье книги по схемотехнике и проектированию логики. О том, кем занимается человек, который читает такие книги, — в статье инженер-схемотехник.