アナログ・デジタル電子回路の基礎

引用

Agarwal, A., & Lang, J. H. (2005). Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits. Morgan Kaufmann.

章の要約

本書は16章からなる。出版社の説明では、全体を貫く考え方は「抽象化」である。著者は、電気工学と計算機科学を、電気システムを構築する複雑さを扱うために抽象化を次々に作り、使う技芸として捉え、コンピュータシステムはその一種の電気システムだとする。掲げられた目標は、回路と電子工学を一つの統一された扱いにまとめること、そして現代のデジタルシステムと強く結びつけることである。出版社はさらに、本書が現代のMOS技術に集中し、実際のデバイスで概念を説明し、MITのOpenCourseWareにある回路・電子工学の授業を支えるものだとも述べている。

第1–4章：回路の抽象化；抵抗回路網；回路網の定理；非線形回路の解析

冒頭の4章は、回路の抽象化そのものから出発して、回路解析とは何かを扱う。続いて抵抗回路網と回路網の定理、そして非線形回路の解析へ進む。

第5–8章：デジタルの抽象化；MOSFETスイッチ；MOSFET増幅器；小信号モデル

第二のまとまりでは、デジタルの抽象化を、それを実現するデバイスの前に置く。続いてMOSFETをまずスイッチとして、次に増幅器として導入し、小信号モデルが続く。

第9–12章：エネルギー蓄積素子；1次の過渡現象；デジタル回路のエネルギーと電力；2次回路の過渡現象

エネルギー蓄積素子が本書の動的な部分の幕開けとなる。1次の過渡現象のあとに、デジタル回路におけるエネルギーと電力の章があり、さらに2次回路の過渡現象が続く。

第13–14章：正弦波定常状態；正弦波定常状態：共振

正弦波定常状態を2章で扱い、後者は共振に充てられている。

第15–16章：演算増幅器の抽象化；ダイオード

最後の2章は、演算増幅器をもう一つの抽象化として示し、ダイオードで終わる。

主要概念

第1–4章：回路解析

• 回路の抽象化：物理システムを集中定数素子とその接続でモデル化すること。
• 抵抗回路網と回路網の定理：線形回路を解析する標準的な道具。
• 非線形回路の解析：非線形素子を含む回路の方法。

第5–8章：デジタルの抽象化とMOSデバイス

• デジタルの抽象化：信号を二つのレベルで表し、デジタルシステムが雑音に耐えられるようにすること。
• スイッチおよび増幅器としてのMOSFET：同じデバイスの二つの動作モード。
• 小信号モデル：増幅器の解析に用いる線形化した記述。

第9–16章：動特性とその他のデバイス

• エネルギー蓄積素子と過渡現象：1次および2次の応答。
• デジタル回路のエネルギーと電力：デジタル設計の観点から見た過渡現象。
• 正弦波定常状態と共振：正弦波入力に対する応答。
• 演算増幅器の抽象化とダイオード：本書の最後の二つの主題。

批判的分析

長所

• 「抽象化」という一本の筋。 章題自体がこの考えを映している。回路の抽象化（第1章）、デジタルの抽象化（第5章）、演算増幅器の抽象化（第15章）である。読者は入門の一連の流れを通じて一つの組織原理をたどれる。
• デジタルとアナログを並べて扱う。 著者は、デジタル論理を別の科目として扱わず、第5〜8章の早い段階でデジタルの抽象化とMOSFETを導入する。出版社が引く評者ドゥミトル・スタノミル（Dumitru Stanomir）は、本書がアナログとデジタルの電子工学を一緒に提示する新しい取り組みを始めるもので、現実の電子工学へのより深い洞察が得られると述べている。
• 現代のデバイス。 出版社によれば、本書はMOS技術に重点を置き、実際のデバイスで概念を説明する。
• 独習に開かれている。 出版社が引用する発表によれば、ElsevierはedXの講座6.002xの受講者に本書のオンライン版への無料アクセスを提供した。

短所

• 古典的な主題の一部が遅い。 正弦波定常状態と共振は第13・14章まで現れず、ダイオードは最後の第16章である。多くの電子工学の教科書のようにダイオードを早く扱う授業では、順序を組み替える必要がある。
• 通常とは異なる順序。 本書はデジタルの抽象化とMOSFET（第5〜8章）をエネルギー蓄積素子（第9章）の前に置くので、その方法に沿って設計された授業には向くが、回路が先でデバイスが後という順序の授業には向きにくい。
• 古さ。 出版社の一覧には2005年7月の版が一つあるだけで、その後の分野の発展は反映されていない。

コースにおける位置づけ

回路と電子工学を統合した入門の教科書である。Storeyの Electronics: A Systems Approach はシステム全体から入る、より穏やかな入門書で、Fundamentals of Electric Circuits は包括的な回路解析の教科書として古典的な手法をさらに深く扱う。AgarwalとLangは同じ序盤の領域をよりコンパクトに扱い、そこにデジタルの抽象化とMOSデバイスを加えている。Microelectronics: An Integrated Approach は半導体デバイスと電子設計をより深く扱うので、第6〜8章の自然な続きとなる。Practical Electronics for Inventors は、製作と試験で理論を補う。HaytとBuckの Engineering Electromagnetics は回路モデルの下にある場の理論を与え、Computer Organization and Design はデジタルの流れをプロセッサへと続ける。

本書の使い方

電気工学と計算機科学の学生、およびデジタル・アナログシステムの設計者を対象とする。想定される基礎は、電磁気学を含む微積分ベースの物理と1変数の微積分である。

第1〜4章を順に読み、第5章でデジタルの抽象化を理解してから、MOSFETの第6〜8章に進む。第9〜12章は動的な部分の中核をなす。第13・14章と第15章は、アナログの仕事に応じて取り上げ、ダイオードをもっと早く必要とする読者は第16章を前倒しで読んでもよい。本書は回路と電子工学の授業を軸に構成されているので、各章に合わせて演習問題を解き、出版社が言及するMITのOpenCourseWareの資料も使うと最も効果的である。