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Electronics: A Systems Approach(電子學:系統觀點) cover

工程學

工程學

Electronics: A Systems Approach(電子學:系統觀點)

Neil Storey

英文原名: Electronics: A Systems Approach

電機電子工程入門教科書,先從整個系統著手,也就是它的輸入、輸出與功能方塊,再深入其中的電路與元件。全書從基本電路理論與元件出發,經過感測器、放大器、半導體與數位電子學,進入通訊與系統設計,並附有例題、章末習題,以及線上教學影片與測驗。

需要的基礎: 包含代數與基礎三角函數的高中數學;不需要事先學過電子學。

難度等級
入門
學術層次
大學部
electronicselectrical circuitssemiconductorsdigital systemsoperational amplifiers教科書

01 / 導讀

導讀

引用

Storey, N. (2017). Electronics: A Systems Approach (6th ed.). Pearson Education.

章節概要

第六版約840頁,共三十章,分為兩部,另有附錄。第一部「電路與元件」(第1–10章)本身就是一門完整的電路與元件課程。第二部「電子系統」(第11–30章)從電子系統談起,再依序深入其中的元件與電路,先類比後數位。出版社將這種方法稱為「系統優先」:學生在分析各個部件之前,先了解系統要達成什麼。每章都有學習目標、摘要、例題與習題,配套網站提供一百多支教學影片與線上測驗。

第1–3章:基本電路與元件;電壓與電流的量測;電阻與直流電路

基礎部分:開篇一章介紹基本電路與元件,接著一章談電壓與電流的量測,再一章談電阻與直流電路分析。

第4–5章:電容與電場;電感與磁場

介紹兩種儲能元件,各自與其背後的場一併講解。

第6–9章:交流電壓與電流;交流電路的功率;電動機與發電機;交流電路的頻率特性

討論交流電、交流電路的功率、旋轉電機以及電路的頻率特性。電動機與發電機一章讓第一部具備電機工程入門課程的涵蓋範圍;出版社將此列為本書能單獨用於電子學與電機工程兩類入門課程的原因之一。

第10章:暫態行為

第一部以電路對突然變化的響應作結。

第11–13章:電子系統;感測器;致動器

系統觀點在這裡展開:輸入、輸出以及兩者之間的功能方塊。第六版擴充了感測器與致動器兩章,新增影像感測器與光纖通訊所用元件的內容。

第14–16章:放大;控制與回授;運算放大器

放大器先被當作系統方塊,接著與回授結合使用,最後以最常見的積體形式——運算放大器——登場。

第17–21章:半導體與二極體;場效電晶體;雙載子接面電晶體;電力電子;運算放大器的內部電路

直到這時,本書才打開元件內部:半導體物理與二極體、兩類電晶體、電力電子,最後是第16章中當作方塊使用的運算放大器的內部構造。這個順序正是系統方法的具體實踐。

第22–23章:雜訊與電磁相容;正回授、振盪器與穩定性

討論實務限制的兩章:不需要的訊號與電磁相容,以及正回授帶來的穩定性問題與振盪器。

第24–27章:數位系統;循序邏輯;數位元件;數位設計的實現

數位部分從邏輯與組合系統出發,經過循序邏輯與實現它們的元件,一路到數位設計的實現。第六版另新增一節,介紹樹莓派(Raspberry Pi)與Arduino等單板電腦。

第28–30章:通訊;資料擷取與轉換;系統設計

最後幾章回到整體系統:通訊、類比訊號與數位訊號之間的轉換,以及系統設計。第六版新增了微波通訊與光纖通訊的內容。

核心概念

第一部:電路與元件

  • 直流電路分析:求出元件網路中電壓、電流與電阻之間的關係。
  • 電容與電感:在電場與磁場中儲存能量、使電路具有隨時間與頻率變化之行為的元件。
  • 交流功率:由交流電壓與電流驅動之電路中的功率。
  • 暫態行為:電路從一個穩態過渡到另一個穩態期間的響應。

第二部:類比系統

  • 系統方法:在檢視電路之前,先以具有輸入與輸出的功能方塊來描述電子系統。
  • 感測器與致動器:把電子系統與物理量連結起來的元件。
  • 回授:把部分輸出送回輸入;負回授用於控制與提高精度,正回授用於振盪器。
  • 運算放大器:通用的積體放大器,先當作方塊使用,之後再分析其內部。

第二部:元件與數位系統

  • 半導體元件:二極體、場效電晶體與雙載子接面電晶體。
  • 雜訊與電磁相容:不需要的訊號以及設備的電磁相容性。
  • 組合邏輯與循序邏輯:無記憶與有記憶的數位電路。
  • 資料轉換:在資料擷取中於類比表示與數位表示之間轉換。

評析

優點

  • 先功能,後細節。 依出版社的說法,學生先理解系統設計要做什麼,再著手設計或分析其部件。目錄貫徹了這一點:放大器與運算放大器(第14–16章)排在電晶體各章之前,運算放大器的內部電路則留到第21章。
  • 電機與電子合為一冊。 第一部涵蓋直流與交流電路、電機與暫態。出版社認為這部分夠完整,讓本書能用於電子學與電機工程兩類入門課程;類比與數位電子也放在一起講授。
  • 學習支援。 全書各章都有學習目標、摘要、例題與章末習題,第六版並擴充了習題。線上教學影片與測驗為學生突破難點提供了另一條途徑。
  • 應用內容新穎。 第六版新增的內容(單板電腦、微波與光纖通訊、影像感測器)把基礎知識與學生可能會用到的設備連結起來。

局限

  • 以深度換取廣度。 三十章內容從基本直流電路一路談到通訊與系統設計,每類半導體元件只有一章,因此打算專攻電子學的學生日後還需要一本元件層級的教科書。
  • 作為一門課的教材偏長。 約840頁超出一門課所能使用的份量,教師需要在類比、數位與系統各章之間有所取捨。
  • 系統優先可能顯得順序顛倒。 習慣從元件逐步搭建的學生,可能會對在講到電晶體之前好幾章就使用放大器與運算放大器感到不習慣。這是本書刻意的選擇,但對不同學習者的適合程度不一。

在課程中的定位

在電路與電子學書單中,史托瑞是一本架構清楚、適合第一門課的教科書。舍爾茲與蒙克的 Practical Electronics for Inventors 是它的實作型搭檔:一本關於元件、原型製作與電路組裝的動手指南,最適合與史托瑞搭配用於實驗桌上的操作。亞歷山大與薩迪庫的 Fundamentals of Electric Circuits 對電路分析的講解比第一部深入得多,是電機系學生順理成章的下一步。阿加瓦爾與朗的 Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits 為電機系學生統一講解電路、數位抽象、MOS元件與放大器,適合作為繼續深造之學生的第二本書。

後續書籍分別把史托瑞的某條線索推向深入:豪與索迪尼的 Microelectronics: An Integrated Approach 發展第17–19章的半導體元件;海特與巴克的 Engineering Electromagnetics 建立第4–5章背後的場論;派特森的 Computer Organization and Design 則從數位各章延伸到處理器設計。

如何使用本書

出版社將本書設定給需要具備電子學基礎的工程師、科學家與技術人員,並表示它可以單獨作為電子學與電機工程入門課程的教科書。本書從基本電路講起,不需要電子學背景,但代數熟練會讓電路各章輕鬆許多。

  • 偏重電機工程: 完整研讀第一部(第1–10章),然後讀第11章、第14–16章與第17–19章,初步認識電子學。
  • 偏重電子學: 先讀第1–6章與第9–10章掌握電路要點,再依序讀第二部直到第21章,之後讀數位各章(第24–27章)。
  • 機械或機電整合科系學生: 第1–6章、第11–16章與第20章,再加上第24章與第29章,了解數位介面與資料轉換。
  • 依興趣選讀: 第22–23章(雜訊、電磁相容、振盪器)、第28章(通訊)與第30章(系統設計),適合專題實作。

要主動運用例題:先遮住解答自己試做。對照學習目標與摘要檢查每一章;某個主題弄不懂時觀看線上影片;考試前做做測驗。